웨어러블 기기의 수요가 증가함에 따라 일상생활에서 발생하는 압력을 전력으로 변환하는 압전 에너지 하베스팅 기술이 주목받고 있다. 특히 유연성과 경량성이 요구되는 웨어러블 기기에 적합한 압전 복합재료의 개발이 필수적이다.

이러한 이점 때문에 지금까지 압전 복합재료의 성능 향상을 위한 다양한 압전 재료와 나노구조가 연구되어 왔으나 효율 향상 문제가 걸림돌이 되어 왔고, 효율 정체 극복을 위해 나노구조에 따른 압전 복합재료의 성능에 대한 명확한 이론적 규명도 필요했다.

이러한 압전 복합재료의 효율 향상을 위한 문제를 해결할 수 있는 획기적 연구 성과가 전북대학교 김성륜 교수팀(유기소재섬유공학과)으로부터 나와 이목을 끌고 있다. 압전 재료의 종횡비(aspect ratio)와 성능 간의 메커니즘을 이론적으로 규명한 것이다.

김 교수팀은 공정 조건을 제어해 종횡비가 다른 나노구조의 압전 재료를 제조해 종횡비가 성능에 미치는 영향을 분석했다. 연구 결과, 종횡비가 증가함에 따라 최대 전류는 650%, 최대 전압은 516% 증가함을 확인했다.

이를 바탕으로 실험 결과와 시뮬레이션 데이터를 정량적으로 비교한 결과, 종횡비가 높은 나노구조가 더 큰 변형을 유도해 압전 성능을 향상시킨다는 메커니즘이 밝혀졌다. 연구팀은 이를 통해 종횡비가 높은 압전 재료가 스마트 기기의 효율적인 작동에 유리함을 실험과 이론으로 동시에 입증했다.

이번 연구 결과는 ‘Enhanced piezoelectricity of composite piezoelectric nanogenerators by varying the aspect ratio of zinc oxide nanoparticles’라는 제목으로, 세계적인 에너지 공학 저널인 『Energy』(Impact Factor 9.0, JCR 상위 3.6%)에 게재됐다.

이번 연구에는 강민경 석사과정(제1저자)과 철원 플라즈마산업기술연구소 장지운 박사(공동 교신저자)가 함께 참여했으며, 나노소재 기반 에너지 하베스터 개발 및 글로벌 탄소중립 기술 확보에 기여할 수 있는 의미 있는 성과로 주목받고 있다.

김성륜 교수는 “압전 복합재료의 정체된 효율을 한 단계 향상시킬 수 있는 돌파구 마련을 위한 이론적 초석을 마련했다”며 “후속 연구를 통해 압전 복합재료의 효율을 최근 주목받고 있는 마찰전기 복합재료의 효율 수준으로 끌어 올리겠다”고 밝혔다.

제1저자로 연구를 주도한 강민경 석사과정은 “석사과정 중에 우수한 연구 결과를 낼 수 있어 기쁘고, 이번 연구가 앞으로 압전 복합재료 분야의 발전에 기여할 수 있기를 희망한다”며 “격려와 조언을 아끼지 않으신 지도교수님과 소중한 도움을 주신 다른 저자분들께 진심으로 감사드린다”고 밝혔다.

한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부 과학기술사업화진흥원(RS-2023-00304743), 한국연구재단 기초연구사업(2016R1A6A1A03013422)의 지원을 받아 수행됐다.