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[IT뉴스]플라스틱으로 구현한 직류 나노발전기…충전 없는 센서·로봇 만들어

온카뱅크관리자

2025-11-03 13:47:30

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 <img alt="이주혁 대구경북과학기술원(DGIST) 에너지공학과 교수팀이 개발한 이온성 직류 마찰전기 나노발전기 모식도(a)와 가소체 첨가율에 따른 전기 발전 형태 변화. 이주혁 교수 제공" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202511/03/dongascience/20251103133944997kkbj.jpg" data-org-width="680" dmcf-mid="WQNTsqCEJU" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img3.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202511/03/dongascience/20251103133944997kkbj.jpg" width="658">
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 이주혁 대구경북과학기술원(DGIST) 에너지공학과 교수팀이 개발한 이온성 직류 마찰전기 나노발전기 모식도(a)와 가소체 첨가율에 따른 전기 발전 형태 변화. 이주혁 교수 제공
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 국내 연구팀이 배터리 교체나 충전 없이도 센서와 로봇을 구동할 수 있는 플라스틱 소재 나노발전기를 개발했다. 다양한 움직임으로 안정적인 직류 전력을 공급할 수 있고 재료가 저렴해 가격 경쟁력도 있다.
 한국연구재단은 이주혁 대구경북과학기술원(DGIST) 에너지공학과 교수팀이 범용 플라스틱인 폴리염화비닐(PVC) 소재로 '이온성 직류 마찰전기 나노발전기(iDC-TENG)'를 개발했다고 3일 밝혔다. 연구결과는 10월 29일(현지시간) 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션즈'에 공개됐다.
 사물인터넷(IoT), 웨어러블 기기, 스마트 물류 센서 등은 소량이지만 구동에 필요한 전력 공급이 필요하다. 개별로 배터리 교체와 충전을 해야 한다는 점이 큰 부담으로 작용한다. 기계적 움직임으로 발생하는 마찰전기를 활용하면 필요한 전력을 직접 생산할 수 있지만 교류(AC) 전력만 생산하기 때문에 활용 가능한 직류(DC)로 변환하기 위한 정류회로가 필요하다.
 설계에 정류회로를 포함하는 과정에서 에너지 손실과 구조적 복잡성이 증가한다. 반도체 소재 등 다양한 대안이 제시됐지만 비용이나 효율, 활용성 측면에서 산업 현장에 널리 적용되기 어려웠다.
 연구팀은 PVC에 유연성과 가공성을 높이는 가소제를 첨가해 특성을 조절하고 별도의 정류회로 없이도 직접 직류 전력을 생산할 수 있는 iDC-TENG를 구현했다.
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 <img alt="연구팀이 개발한 직류 발전 메커니즘 모식도(c) 및 이온성 직류마찰전기 나노발전기를 이용한 LED 점등 실험(d). 이주혁 교수 제공" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202511/03/dongascience/20251103133946255ovtl.jpg" data-org-width="680" dmcf-mid="YDgSr7Ocnp" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img2.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202511/03/dongascience/20251103133946255ovtl.jpg" width="658">
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 연구팀이 개발한 직류 발전 메커니즘 모식도(c) 및 이온성 직류마찰전기 나노발전기를 이용한 LED 점등 실험(d). 이주혁 교수 제공
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 iDC-TENG는 마찰로 생긴 전하가 확산하고 전극 표면에 이온이 쌓이면서 내부에 전기장이 만들어지는 '전극 분극' 현상으로 전력을 생산한다. 접촉-분리(contact-separation), 미끄러짐(sliding), 회전(rotary) 등 다양한 움직임에서 안정적으로 전력을 공급할 수 있다는 평가다.
 연구팀은 전극의 성질 차이가 출력 크기에 큰 영향을 미친다는 사실도 확인했다. 소자는 수십~수백 제곱미터당 밀리와트(㎽/㎡, 전력 밀도의 단위) 수준의 높은 출력을 안정적으로 발생시켰다. 테스트 결과 축전기 충전, 발광다이오드(LED) 250개를 켜는 데 성공하며 실제 응용 가능성이 확인됐다.
 개발된 직류 나노발전기는 10만회 이상의 반복 구동에도 출력 성능 저하가 거의 없어 내구성이 튼튼하고 단순한 적층 구조로 구현돼 대면적화·저비용화가 용이하다.
 연구팀의 발견은 우연에서 시작됐다. 이 교수는 "초기에는 PVC를 활용한 교류 마찰전기 소자 개발 연구를 진행하고 있었는데 소자 구조를 일부 변경해 실험하던 중 예상치 못하게 직류 전력 발생 특성이 나타났다"고 설명했다. 이후 원리를 규명하며 직류 나노발전기 개발로 이어진 것이다.
 이 교수는 "값싼 플라스틱 소재를 활용해 직류 전력을 직접 생산하는 세계 최초의 원리를 제시했다는 점에서 학문적·산업적 의미가 크다"며 "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 밝혔다.
 연구팀은 후속 연구에서 환경 내구성 강화해 대면적·직접화 제작 공정을 개발하고 장시간 안정성을 확보할 계획이다.
 &lt;참고 자료&gt; - doi.org/10.1038/s41467-025-64582-w
 [이병구 기자 2bottle9@donga.com]
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