한국기술교육대학교

제주대 목영선 교수 연구팀과 공동...“소형 전자제품 배터리 없이 사용 가능”

한국기술교육대학교 라구 박사, 김병기 교수

우리대학 메카트로닉스공학부 김병기 교수 연구팀(라구 연구교수)이 제주대 목영선 교수 연구팀과 공동연구를 통해 ‘웨어러블 압전 나노발전기와 비대칭 슈퍼커패시터의 통합을 통해 배터리가 필요 없는 새로운 자가 충전 전력 시스템 개발’에 성공했다고 5일 밝혔다.

이번 연구는 재생 에너지를 이용해 자가 전력을 생산하고 공급하는 새로운 압전 복합재료를 설계하는데 큰 역할을 할 것으로 기대를 모으고 있다.

김교수 연구팀은 희토류 금속인 터븀 텅스텐을 2D 물질인 황화몰리브덴에 삽입(TbW@MoS2)한 복합재를 이용하여 자가 충전 전력 시스템의 두축인 압전 발전 소자로서의 역할 및 수퍼커패시터의 음극재 역할을 모두 수행하도록 했다.

손가락 탭핑에 의해 압전 발전기에서 발전되는 전압은 2.81V로 순수한 이황화몰리브덴의 경우보다 약 4.2배 더 좋은 결과를 얻었고 전력밀도는 종래의 보고된 결과보다 1.5배 가량 높은 7.3 μW/m2를 구현하였다.

그리고, TbW@MoS2를 음극재로 사용한 슈퍼커패시터는 이황화몰리브덴 및 순수 터븀 텅스텐 각각의 용량보다 더 높은 용량인 62.6 mAh/cm2을 보여주었다.

이들을 통합한 자가 충전 전력 시스템에 대한 시험 결과, 4분 이내에 1.6 V까지 자체 충전하고 그후 3시간 15분 동안 57 mV까지 매우 천천히 자체 방전하는 것으로 나타났다. 이를 이용해 소형 전자 장치에 전원을 공급하고 실용성을 입증했다.

압전 발전기와 슈퍼캐퍼시터를 결합한 자가 충전 시스템 개념도

김병기 교수는 “소형 전자기기를 외부 전력의 도움없이 압전형 나노발전기를 이용해 전압을 발생시키고 이를 수퍼캐퍼시터를 통해 작동시키는 과정을 효율적으로 보여준 연구로 앞으로 전자 제품 구동을 위한 그린 에너지의 생성과 공급에 대한 좋은 사례가 될 것”이라고 말했다.

한국연구재단 개인기초연구사업과 중점연구소사업의 지원으로 수행된 이번 연구 결과는 재료공학 분야 국제 학술지 Advanced Composites and Hybrid Materials에 게재됐다. (논문명: “One-stone-two-birds”: engineering a 2D layered heterojunction of terbium tungstate incorporated on molybdenum disulfide nanosheets for a battery-free self-charging power system via the integration of a wearable piezoelectric nanogenerator and an asymmetric supercapacitor, https://doi.org/10.1007/s42114-024-01011-4)