배터리 없는 자율구동 센서 '성큼'… 韓 연구진, '플라스틱 직류 발전기' 세계 최초 개발

배터리 교체나 충전 없이도 센서와 로봇을 구동할 수 있는 새로운 전력 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다. 값싸고 흔한 플라스틱(PVC)을 이용해 정류회로 없이도 안정적인 직류(DC) 전력을 직접 생산하는 나노발전기를 구현한 것이다. 스마트 물류, 웨어러블 헬스케어 기기 등 차세대 전자기기의 자율 구동 시대가 성큼 다가왔다는 평가다.

한국연구재단(이사장 홍원화)은 대구경북과학기술원(DGIST) 이주혁 교수 연구팀이 범용 플라스틱(PVC)을 활용해 ‘이온성 직류 마찰전기 나노발전기(iDC-TENG)’를 개발, 다양한 기계적 움직임으로 안정적인 직류 전력 공급이 가능함을 입증했다고 4일 밝혔다.

IoT 센서, 웨어러블 기기 등은 소량의 전력이 필요하지만 배터리 교체·충전이 큰 부담이었다. 기존 마찰전기 나노발전기는 기계적 움직임을 전기로 바꿀 수 있었으나, 교류(AC) 전력만 생산해 직류로 변환하는 정류회로가 필수였다. 이 과정에서 에너지 손실과 구조적 복잡성이 발생했고, 반도체 소재 등 대안 역시 비용·효율 문제로 상용화에 한계가 있었다.


연구팀은 흔히 쓰이는 플라스틱인 PVC에 가소제(플라스틱을 유연하게 만드는 첨가제)를 첨가해 절연성 고분자를 이온 전도성 소재로 변환, 별도 회로 없이 직류 전력을 직접 생산하는 새로운 소자(iDC-TENG)를 구현했다.

연구팀은 이 소자의 작동 원리가 마찰 전하 확산과 전극 표면에 이온이 쌓여 내부 전기장을 형성하는 현상(전극 분극)임을 규명했다. 최적 조건에서 소자는 수십~수백 mW/m² 수준의 높은 출력을 안정적으로 발생시켰으며, 10만 회 이상 반복 구동에도 성능 저하가 거의 없는 우수한 내구성을 입증했다. 연구팀은 실제로 이 소자를 이용해 축전기를 충전하고 LED 250개를 켜며 센서를 구동하는 데 성공했다.

이주혁 교수는 “값싼 플라스틱 소재로 직류 전력을 직접 생산하는 세계 최초의 원리를 제시했다는 점에서 학문적·산업적 의미가 크다”며 “IoT 기기, 웨어러블 전자기기, 자가구동형 센서는 물론, 스마트 물류 현장에서도 폭넓게 적용될 전망”이라고 말했다. 그는 이어 “물류창고·운송 로봇·위치추적 센서 등에서 배터리 교체 부담을 줄이고 장기간 자율 구동을 가능케 해, 지속가능한 에너지 자립형 스마트 물류 인프라 구축에 기여할 수 있다”고 덧붙였다.

연구팀은 향후 환경 내구성 강화, 대면적·직접화 제작 공정 개발, 장시간 안정성 확보 등 후속 연구를 진행할 계획이다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 나노소재기술개발사업 및 중견연구자지원사업으로 수행된 이 연구 성과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 지난달 29일 게재됐다.