서울과학기술대학교(총장 김동환, 이하 서울과기대) 신소재공학과 박일규 교수(교신저자) 및 손상현 박사과정생(제1저자) 연구팀이 층상형 이중수산화물 구조에서 수분에 의한 발전효과 방식과 반도체 기반 마찰전기 효과에 대하여 최초로 보고하고 두 가지 발전방식의 시너지 결합을 이루어낸 소자를 개발했다.
기존의 유전체를 통한 마찰전기 기반 나노 발전기는 높은 전압 특성을 갖는 에너지 하베스팅 기술이지만, 낮은 전류 생성 특성과 직류 전기 에너지를 생성하기 위한 필수적인 정류 작용이 주요 문제점으로 대두되었다.
반도체 기반의 마찰전기 기술은 정류 작용 없이 직류 전기 에너지를 발전시킬 수 있었으나, 아직은 낮은 발전 성능과 고습도 분위기에서의 성능 감소 문제로 인해 다양한 환경에서의 활용에 한계가 있었다.
연구팀은 물 분자에 대한 자체적인 흡습 특성과 분해 특성을 가지는 이중수산화구조를 도입하여 수분 분위기에서 발전 성능이 나타나는 소자를 개발하였고, 마찰전기 나노 발전기로 응용하였다.
개발된 소자는 80% 이상의 상대 습도 분위기에서 693.38mV와 65.48 mAm-2의 마찰전기 발전 성능을 나타내었으며, 발생된 전기에너지를 저장하는 축전 특성을 나타내는 현상을 최초로 규명하였다.
박일규 교수는 "이중 수산화 구조에서의 마찰발전 특성과 수분에 의한 발전 특성이 최초로 규명되고 이 두 가지의 긍정적인 시너지 효과를 극적으로 활용한 것에 의미가 있다."라며, "일상 환경이나 고습도 환경에서도 마찰발전과 수분에 의한 발전의 시너지 효과를 통해 바람과 같은 에너지를 통한 발전이 가능할 것"이라며 기대감을 나타냈다.
해당 연구는 2021년도 선정된 중견연구자지원사업 및 중점연구소지원사업(서울과기대 에너지환경연구소: 소장 권용재)의 지원을 통해 수행되었으며, 〈Synergistic Coupling of Tribovoltaic and Moisture-Enabled Electricity Generation in Layered-Double Hydroxides〉라는 제목으로 소재·에너지 분야 학술지인 「Advanced Energy Materials (IF=27.8)」 2024년 4월호 내부 커버로 선정되어 게재됐다.