걸을 때 발생하는 압력에 의해 전기가 생산되는 신발, 마찰에 의해 전기가 생산되는 옷, 흔들기만 하면 전기가 생산되는 물병까지. 이 모두는 최근 많은 연구진들이 에너지 수확분야에서 ‘나노제너레이터’의 개발을 통해 실제 생활에 접목할 수 있도록 노력하고 있는 연구 분야다.

  그러나 이로 인해 발생되는 전기량이 워낙 극소량이어서 실제 상용화 단계에 접어들기 위해서는 획기적으로 높은 발전 성능을 가진 나노제너레이터를 구현하는 것이 최대 과제였다.

  이와 관련 최근 우리대학 연구진이 기존보다 10배 이상 많은 전기를 생산할 수 있는 새로운 형태의 나노제너레이터를 개발해 세계 학계가 주목하고 있다.

  우리대학 한진규 박사와 부상돈 교수(물리학과) 연구팀은 티탄산지르콘산연(PZT) 나노입자의 전왜효과*(電歪效果·flexoelectricity)를 이용하여 나노제너레이터 특성을 향상시킬 수 있는 연구 결과를 내놓았다.

  ※전왜효과 : 반도체 소자 내에 있는 고체 시료의 결정이 찌그러진 상태로 인해 결정 내부에 자발적으로 전기장이 형성되는 효과.

  이 연구 결과는 세계 최고 저널인 네이처의 자매지 중 하나인 ‘사이언티픽 레포트 (Scientific Reports)’ 최신호 온라인판에 게재됐다.
 
  연구진은 카본나노튜브(CNT) 표면에 직접 성장된 티탄산지르콘산연(PZT) 나노 입자 복합체를 용액공정으로 제조하였고, 이를 이용해 두 물질이 단순히 혼합돼 있는 복합체에 비해 약 10배 정도 향상된 나노제너레이터 소자를 개발하는 데 성공했다.

  그동안 나노제너레이터는 박막이나 나노 구조 형태의 압전체로 제작돼 왔는데, 전기 발전 효율이 그리 높지 않았다. 그러나 CNT 와 같은 1차원 전도체와 압전체의 복합체 제작이 전기 전도도와 분산성을 크게 향상시킬 수 있다는 장점이 있어 2개의 물질을 섞는 복합체 제작이 최근 미국과 중국, 그리고 국내 유수 연구진 등에 의해 연구가 이뤄져왔다.

  우리대학 연구진이 개발한 고효율 나노제너레이터는 그간 연구들에서 한 단계 더 앞서 나간 것으로써 CNT 위에 압전체 물질의 직접 성장을 통해 두 물질 사이에 결합력을 높일 뿐만 아니라 압전체 내부에 응력구배 (strain gradient) 의 형성에 의해 전왜효과가 발생, 전기 발생 효율을 향상 시킨다는 사실을 밝혀낸 것이다.

  연구팀이 제작한 PZT/CNT 입자는 CNT 표면에 PZT 결정이 화학적으로 강하게 결합되어 있는 형태로 기존에 개발된 단순 복합체에 비해 훨씬 높은 발전 특성을 구현할 수 있게 됐다. 또한, 이번에 개발한 PZT/CNT 입자를 이용한 나노제너레이터는 전왜효과를 적용한 사례라 할 수 있다.

  부상돈 교수는 “이번 결과는 기존의 연구 결과와는 달리 PZT 나노입자의 발전 특성을 크게 향상 시킬 수 있음을 보여줌으로써 차세대 에너지원으로써의 나노제너레이터 상용화 가능성을 한층 더 높여주는 중요한 연구결과”라며 “추후 진전된 연구를 통해 전기 발생이 가능한 웨어러블 등 다양한 분야에 활용할 수 있게 되어, 화석 연료 고갈에 따른 에너지원 부족 문제 등을 해결할 수 있을 것으로 기대된다.”라고 평가했다.