[대구=뉴시스] 박준 기자 = 경북대학교 나노신소재공학과 노종욱 교수팀은 한국과학기술연구원(KIST) 김정원·나원진 박사 연구팀과 충격과 물에도 견디는 탄소나노튜브(CNT) 기반 스펀지형 열전 발전기를 개발했다고 17일 밝혔다.
이번에 개발한 발전기는 인체에서 발생하는 열에너지를 전기에너지로 변환하는 장치로, 옷처럼 휘어지거나 강한 충격을 받아도 전기적 성능이 유지되고 물에 젖었다가 건조된 뒤에도 정상 작동하는 높은 신뢰성을 구현했다.
기술의 핵심은 단순한 압착 공정만으로 고성능 복합소재를 구현했다는 점이다.
연구팀은 구멍이 많은 부드러운 폴리우레탄(PU) 스펀지를 전기가 잘 통하는 CNT 용액에 담가 스펀지 전체에 전기 전도 네트워크를 형성했다.
이후 열을 가해 스펀지를 짜내듯 압착(squeezing)하는 단순 공정을 거쳤다.
이 공정으로 스펀지 구조의 밀도를 정교하게 조절하고 CNT 소재 간 결합을 강화해 별도의 고온·진공 장비 없이도 내구성과 성능을 동시에 확보했다.
내구성은 기존 열전소자와 뚜렷한 차이를 보였다. 기존 무기 열전소자가 약 0.05J(줄) 수준의 충격에도 쉽게 깨지는 반면, CNT 스펀지 발전기는 약 50배에 달하는 2.49J의 충격을 견뎌냈다.
이는 약 50g 무게의 웨어러블 기기가 4m높이에서 낙하하는 상황에 해당하는 수준으로 충격 이후에도 형태 변화나 발전 출력 저하는 거의 나타나지 않았다.
또 1만회 이상의 반복 굽힘 테스트에서도 성능이 안정적으로 유지됐으며 물속에 24시간 담갔다가 건조한 뒤에도 초기 출력의 95% 이상을 회복해 땀이나 비에 노출되는 환경에서도 실사용이 가능함을 입증했다.
연구팀은 이 같은 강인하면서도 유연한 구조는 CNT 네트워크가 스펀지 표면에 단단히 엮인 복합 구조에서 비롯된다고 설명했다. 이 구조는 외부 충격을 효과적으로 흡수하면서도 전기 흐름을 안정적으로 유지할 수 있게 한다.
노 교수는 "사람이 움직이고 땀을 흘리는 실제 환경에서도 작동할 수 있는 발전기를 목표로 연구를 진행했다"며 "이번 성과는 웨어러블 기기를 위한 입는 전기 기술의 상용화에 한 걸음 더 다가선 사례이다. 경량성과 내충격성을 동시에 갖춘 탄소 기반 복합소재 기술로 향후 웨어러블 센서, 스포츠·헬스케어 기기, 사물인터넷(IoT) 전원 등 다양한 분야로의 확장이 기대된다"고 밝혔다.
한편 이번 연구는 한국연구재단과 과학기술정보통신부의 지원을 받아 지역혁신선도연구센터(RLRC), 소재글로벌영커넥트사업, KIST 주요사업의 일환으로 수행됐다.
교신저자는 경북대 노 교수, KIST 김정원 선임연구원, KIST 나원진 선임연구원이며 제1저자는 김예나 경북대 석사졸업생이다.
연구 결과는 국제 학술지 어드밴스드 컴퍼지트 앤 하이브리드 머티리얼즈(Advanced Composites and Hybrid Materials) 11월22일자에 게재됐다.
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