맥신 분리구조의 도입으로 마찰대전 소재의 지속가능성 및 성능 향상

(왼쪽부터) 한양대 유기나노공학과 위정재 교수, 한양대 유기나노공학과 한태희 교수, 인하대 물리학과 이민백 교수, 한양대 유기나노공학과 조웅비 석박사통합과정생, 한양대 유기나노공학과 김성수 석박사통합과정생

한양대 유기나노공학과 위정재 교수팀이 한태희 교수팀(한양대학교 유기나노공학과), 이민백 교수팀(인하대학교 물리학과)과의 공동연구를 통해 혁신적인 마찰대전 발전 소자를 개발했다고, 한양대가 13일 밝혔다.

이번 연구는 석유 정제 과정에서 발생하는 원소 황 폐기물을 활용하여 고성능의 황 고함유 고분자를 합성하고, 이를 차세대 2차 물질인 맥신과 복합화하여 지속 가능하고 효율적인 발전 소자를 만드는 데 성공했다.

마찰대전 발전은 이종 물질 간 마찰로 발생하는 전기 에너지를 활용하는 친환경 에너지 하베스팅 기술로 주목받고 있다. 현재 가장 효율적인 마찰대전 발전 소자들은 불소 고분자를 주요 구성품으로 사용하며, 이는 높은 전자친화도로 인해 우수한 전력 발생 성능을 자랑한다. 그러나 불소 고분자의 제조 과정에서 과불화화합물(PFAS)이 사용되며, 이들 화합물은 생태계와 인체에 해로운 영향을 미치는 것으로 알려져 있다. 특히 올해 2월 미국 식품 의약국(FDA)에서는 과불화화합물이 포함된 물질들의 경우 식품 포장용으로 판매를 금지하는 법안을 통과시키기도 했다.

위정재 교수팀은 이러한 PFAS 문제를 해결하고 지속 가능한 발전 소자를 개발하기 위해 원소 황을 주목했다. 황은 석유 정제 과정에서 연간 700만 톤이 잉여로 발생하지만, 대부분이 보관 문제로 쌓여 있다. 연구팀은 황을 역가황(Inverse Vulcanization) 과정을 통해 안정적인 황 고함유 고분자로 합성하고, 이 고분자를 맥신과 복합화하여 새로운 마찰대전 발전 소자를 제작했다.

연구팀은 이번 연구에서 맥신을 황 고함유 고분자의 표면에 균일하게 코팅한 후 열 압착 성형을 통해 복합 소재를 제작했다. 그 결과, 기존 황 고함유 고분자 기반의 마찰대전 발전 소재보다 8배 이상의 높은 전력 밀도를 달성할 수 있었으며, 재분쇄 및 재열 성형을 반복해도 기계적 물성과 발전 성능이 유의미하게 감소하지 않는 재활용성도 입증됐다.

이 연구 결과는 국제 저명 학술지인 「Advanced Materials (영향력 지수: 29.4)」에 8월 7일 게재되었으며, 한국 연구재단, 미 공군연구소, 미 육군연구소의 지원을 받아 진행됐다. 해당 논문 「High-Performance Yet Sustainable Triboelectric Nanogenerator Based on Sulfur-Rich Polymer Composite with MXene Segregated Structure」는 한양대 유기나노공학과 조웅비 석박통합과정생이 1저자, 김성수 석박통합과정생이 공동 1저자로 참여하였고 위정재 교수, 한태희 교수, 이민백 교수가 교신저자로 참여했다.

황 고함유 고분자/맥신 복합소재 기반 고성능, 지속가능한 마찰대전 발전기의 성능 비교 및 재활용 폐루프 모식도