기계공학과 이정철 교수, '직류 전기에너지 하베스팅 기술' 세계 최초로 개발
2017.12.21 17:03
작성자 : 서강대공학부    메일 : sgeng@sogang.ac.kr 조회 : 308  

 

이정철 교수 연구팀이 캐나다 알버타 대학(The University of Alberta)의 화학재료공학과 Thomas Thundat 교수, 그리고 중국 상하이지아오통대학(Shanghai Jiao Tong Univeristy)의 마이크로/나노전자학과의 지유 후(Zhiyu Hu) 교수팀과 공동 연구를 통해 ‘층상구조 전이금속화합물 이황화몰리브데늄과 전도성 원자현미경 탐침을 이용한 직류 전기에너지 하베스팅 기술“을 세계 최초로 개발했다. 기존 폴리머 기반의 마찰전기 나노제네레이터(Triboelectricity nanogenerators; TENG) 의 한계를 극복한 것이다. 연구 결과는 네이처 자매지인 네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology: IF – 38.986) 에 12월 11일 온라인 게재되었다.

 

 

□ 논문명, 저자정보

   - 저자 정보: Jun Liu (제1저자, 알버타대), Ankur Goswami, Keren Jiang, Faheem Khan, Ryan McGee, Zhi Li(공동저자, 알버타대),

                     Zhiyu Hu 교수(공동저자, 상하이지아오통대), 김석범(공동저자, 서강대), 이정철 교수(공동저자, 서강대),

                     Thomas Thundat 교수(교신저자, 알버타대)

   - 네이처 나노테크놀로지 (Nature Nanotechnology), 2017년 12월 11일 온라인 게재

 

나노 소재 기반 디바이스에 의한 기계적 에너지의 전기적 에너지로의 직접 변환은 에너지 하베스팅 응용에서 무한한 잠재력이 있는 유용한 방법이다. 현재까지 개발 보고된 기계적 마찰에너지를 전기로 변환시키는 기존의 마찰전기 나노발전기(Triboelectric nanogenerators : TENG)는 교류 (alternating current : AC) 마찰전기를 생성할 수 있었다. 따라서 마찰전기 나노발전기의 실제 응용을 위해서 교류를 직류(direct current : DC) 로 바꾸는 정류(rectification)의 과정이 필요한 점과 제한된 전류 밀도를 갖는 점 두 가지의 단점을 지니고 있었다. 서강대-알버타대-상하이 지아오통대 공동 연구팀은 전도성 원자현미경 탐침을 이용하여 펄스 레이저 증착(pulsed laser deposition) 된 2차원 층상구조 전이금속화합물 이황화몰리브데늄(Molybdenum disulfide : MoS2) 표면 위에 Schottky 나노 미끄러짐 접점(nanosclae sliding contact)을 만들어 106 A/m2 의 높은 전류 밀도를 갖는 연속 직류 하베스팅을 구현하였다. 또한 유환 요소 해석을 통해 전도성 나노스케일 탐침 주변의 강한 국부 전기장에 의해 강화된 비평형 상태 전하 캐리어 수송(non-equilibrium charge carrier transport) 현상이 관찰된 비정상적으로 높은 전류 밀도를 생성해 내는 원인임을 밝혀내었다. 마찰에 의한 전기적인 여기가 전하 수송을 유도한다는 가설을 제안하였고, 나노스케일의 전류-전압 스펙트럼 분석을 통해 탐침-MoS2 접촉면의 정류된 Schottky 장벽이 효율적인 직류 전기에너지 하베스팅에 중요한 역할을 함을 밝혀내었다.

 

 이정철 교수는 “제안된 개념은 미세 가공된 전극 배열 또는 접촉 표면이 효율적으로 변형된 전극과 연동하여 확장된다면 높은 전력 밀도로 직류 마찰전기를 발생시킬 수 있을 것”이라면서, “차세대 에너지 하베스팅 연구-개발에 널리 사용될 것으로 기대된다”고 말했다.

 

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[참고 그림]

(a) 기존 마찰전기 나노발전기 (TENG)의 작동원리

(b) 제안된 전도성 탐침과 펄스 레이저 증착법으로 준비된 이황화몰리브데늄을 이용한 직류 전기에너지 하베스팅 작동 모식도

(c)-(f) 원자현미경 topography 이미지와 발생된 전류 이미지 결과

(g) 전류 이미지 f 의 흰색 점선에 대한 전류 데이터 라인 스캔 결과​