성균관대학교 성균나노과학기술원 안성필 교수 및 전일 교수 공동연구팀은 압전고분자 나노섬유와 고순도 탄소나노튜브가 코어(core)물질로 구성된 실리콘 탄성중합체 기반의 에너지 수확이 가능한 다기능성 투명 복합소재를 개발했다고 23일 밝혔다. 제1저자로는 김기용 성균나노과학기술원 박사과정생과 공동 제1저자 이상수 박사과정생이 참여했다.

기존 연구들에서는 투명 나노발전기를 제작하기 위해 은 나노와이어 또는 전기전도성 고분자(PEDOT:PSS)를 전극으로써 사용했다. 그러나, 금속 기반 복합소재는 본연의 빛 반사 및 산란으로 인한 불투명성 이슈를 지니고 있으며, 고분자 기반 복합소재는 전기전도성과 기계적 강성이 부족한 재료 역학적 한계를 보여왔다.

안성필 교수와 전일 교수 공동연구팀은 압전 고분자 P(VDF-TrFE)를 전기방사기술로 머리카락 굵기의 200분의 1 수준인 직경 500nm의 나노섬유를 제작한 후, 실리콘 기반 탄성중합체(PDMS)와 혼합하여 고투명 복합소재를 개발했다. 그리고 통상적인 방법과 차별화된 에어로졸-화학기상증착 (CVD) 합성법으로 제작된 투명 CNT 필름을 전극 소재로 활용해 고투과성 및 우수한 기계적 특성을 가진 나노발전기를 개발했다.

본 연구에서 사용된 전기방사 기술과 에어로졸-CVD 합성법은 제조 방법이 간편할 뿐만 아니라, 공정 규모를 다른 기술들에 비해 쉽게 확장가능하다. 특히, 이번 연구에서 간단한 화학적 도핑법으로 CNT 전극의 전도성을 약 3.1배 향상할 수 있었다.

개발한 고투명 압전 나노발전기는 상대적으로 약한 외력(운동에너지 F=10N)에서도 10V 이상의 준수한 전압을 발생하는 에너지 수확 성능을 보였으며 약 5만회 이상의 반복적인 외력 조건에서도 높은 에너지 수확 성능을 보여, 우수한 기계적 내구성과 안정성을 입증했다.

본 연구는 한국연구재단 이공분야기초연구사업(2021R1F1A1061404), 우수신진연구사업(2021R1C1C1009200)의 지원을 받아 수행됐으며, 재료과학 분야 상위 5% 이내의 세계적인 학술지인 Advanced Functional Materials(IF: 19.924)에 지난 1월 18일 게재됐다.