혁신적 압전 폴리머로 에너지 변환 효율 60% 향상

펜실베이니아 주립대학 주도 학제간 연구팀이 견고한 압전 효과를 가진 폴리머를 개발하여 이전 반복 대비 60% 더 효율적인 전력 생성을 달성했습니다.

압전 물질은 기계적 응력을 전기로 변환하거나 그 반대로 변환하며 센서, 액추에이터 등 많은 응용 분야에서 유용할 수 있습니다. 하지만 분자 사슬로 구성되고 플라스틱, 약물 등에 흔히 사용되는 폴리머에 압전 효과를 구현하는 것은 어렵다고 전기공학 석좌교수 치밍 장(Qiming Zhang)은 말했습니다.

"역사적으로 폴리머의 전기기계적 결합은 매우 낮았습니다."라고 장 교수는 말했습니다. "폴리머의 상대적 부드러움이 생체 센서, 소나, 인공 근육 등 다양한 분야에서 소프트 센서와 액추에이터의 훌륭한 후보가 되기 때문에 이를 개선하고자 했습니다."

물질을 만들기 위해 연구자들은 폴리머에 화학적 불순물을 의도적으로 도입했습니다. 이 도핑(doping) 공정은 연구자들이 올바른 양의 불순물을 통합하면 원하는 효과를 생성하도록 물질 특성을 조정할 수 있게 합니다. 너무 적은 도펀트는 원하는 효과가 시작되지 못하게 할 수 있고, 너무 많이 넣으면 물질 기능을 방해하는 원치 않는 특성을 도입할 수 있습니다.

도핑은 폴리머 구조 구성 요소 내 양전하와 음전하 간 간격을 왜곡시킵니다. 이 왜곡은 반대 전하를 분리하여 구성 요소가 외부 전하를 더 효율적으로 축적할 수 있게 합니다. 폴리머가 변형될 때 이 축적이 전기 전달을 향상시킨다고 장 교수는 말했습니다.

도핑 효과를 강화하고 분자 사슬 정렬을 보장하기 위해 연구자들은 폴리머를 늘렸습니다. 이 정렬은 무작위로 정렬된 사슬을 가진 폴리머보다 더 많은 전기기계적 반응을 촉진한다고 장 교수는 말했습니다.

"폴리머의 전력 생성 효율이 엄청나게 증가했습니다."라고 장 교수는 말했습니다. "이 공정으로 70% 효율을 달성했습니다 — 이전 10% 효율에서 엄청난 개선입니다."

단단한 세라믹 물질에서 더 흔한 이 견고한 전기기계적 성능은 유연한 폴리머에 다양한 응용을 가능하게 할 수 있습니다.

폴리머가 물과 인간 조직과 유사한 음파 저항성을 보이므로 의료 영상, 수중 하이드로폰, 압력 센서에 적용될 수 있습니다.

폴리머는 세라믹보다 더 가볍고 구성 가능하므로 이 폴리머는 영상, 로보틱스 등 분야에서 개선 기회를 제공할 수 있다고 장 교수는 말했습니다.