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1. 서론

현대 사회는 에너지 소비의 급격한 증가와 함께 지속 가능한 에너지 공급 방안을 모색하는 데 큰 관심을 기울이고 있다. 화석 연료에 의존하는 기존의 에너지 생산 방식은 환경 오염과 자원 고갈 문제를 야기하고 있으며, 이러한 한계를 극복하기 위해 친환경적이고 재생 가능한 에너지원 개발이 필수적이다.[1] 특히, 사물인터넷 (Internet of Things, IoT) 장치, 웨어러블 전자기기, 센서 네트워크와 같은 소형 전자기기의 급증은 저전력, 고효율의 에너지 수확 기술에 대한 수요를 더욱 증가시키고 있다.[2–4] 이러한 배경에서 마찰전기 나노발전기 (Triboelectric Nanogenerator, TENG)는 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환하는 혁신적인 에너지 수확 기술로 주목받고 있다.

TENG는 간단한 구조와 제작 용이성, 다양한 환경에서의 높은 효율성 등 여러 장점을 가지고 있어 차세대 에너지 수확 기술로 각광받고 있다.[5–9] TENG는 접촉 대전과 정전기 유도 효과를 기반으로 작동하며, 외부에서 가해지는 기계적 운동 (예: 진동, 압력, 마찰 등)을 전기로 변환할 수 있다. 이러한 특성 덕분에 TENG는 소형 전자기기의 에너지 자립형 전력 공급원으로 적합하며, 최근에는 대규모 에너지 수확 시스템에도 적용 가능성을 넓혀가고 있다.[10–12] 그러나 TENG의 상용화를 위해서는 출력 성능을 더욱 향상시키고 안정성을 확보하기 위한 재료 및 설계 최적화가 필요하다.

TENG의 성능은 주로 사용된 재료의 전기적 및 물리적 특성에 의해 결정되며, 이를 개선하기 위해 다양한 복합체 기반 설계가 연구되고 있다. 특히, 강자성 재료를 활용한 복합체는 전기적 특성과 자기적 특성을 동시에 제공할 수 있어 TENG 출력 성능 향상에 유리하다.[13] NdFeB는 높은 자기 에너지 밀도와 우수한 자기적 성능을 가지는 강자성 재료로, 다양한 응용 분야에서 활용되고 있다.[14–16] 또한, PMMA (Polymethyl methacrylate)는 우수한 열적 안정성과 기계적 강도를 지닌 고분자로, 복합체 내에서 매트릭스 역할을 수행하며 NdFeB 입자를 효과적으로 고정하고 분산시킬 수 있다.[17–19] NdFeB와 PMMA 를 결합한 복합체는 자기적 특성과 열적 안정성을 동시에 제공할 수 있는 잠재력을 지니며, 이를 기반으로 한 TENG는 출력 성능과 안정성을 모두 향상시킬 가능성이 크다.

본 연구에서는 NdFeB/PMMA 복합체를 기반으로 한 TENG의 제작 및 성능 평가를 통해 강자성 재료와 외부 자기장을 활용한 에너지 수확 기술의 가능성을 탐구하였다. NdFeB 입자의 농도와 분포가 복합체의 미세구조 및 출력 특성에 미치는 영향을 분석하였으며, 외부 자기장을 이용한 자화 과정이 TENG의 마찰전기 성능에 미치는 효과를 규명하였다. 또한, NdFeB 농도 변화에 따른 열적 안정성과 X선 회절 분석 (XRD, X-ray Diffraction)을 통해 복합체의 물리적 특성을 상세히 조사하였다. 이를 통해 NdFeB/PMMA 복합체 기반 TENG가 차세대 에너지 수확 장치로서 실용성과 확장 가능성을 갖추었음을 입증하고자 한다. 특히 NdFeB/PMMA 복합체 내에서 NdFeB 입자가 PMMA 매트릭스와 상호작용하면서도 고유의 자기적 특성을 유지함을 확인하였으며, 이를 활용하여 외부 자기장 하에서 자화된 복합체가 출력 성능을 효과적으로 증대시킬 수 있음을 실험적으로 검증하였다. 또한, TENG가 실제 응용 환경에서 얼마나 효과적으로 작동할 수 있는지를 평가하기 위해 180개의 LED를 구동하는 실험을 수행하였으며, 이를 통해 NdFeB/PMMA 복합체 기반 TENG가 안정적인 전력 공급원으로 활용될 가능성을 제시하였다. 결론적으로 NdFeB 와 PMMA를 결합한 강자성 복합체가 TENG의 출력 성능 향상에 기여할 수 있음을 보여주었으며, 외부 자기장을 활용한 자화 기술이 추가적인 성능 향상을 제공할 수 있음을 입증하였다. 이러한 결과는 차세대 에너지 수확 기술 개발에 있어 중요한 설계 방향을 제시하며, 향후 다양한 응용 환경에서 활용될 가능성을 열어준다. 앞으로는 NdFeB 복합체의 설계 최적화 및 장기간 안정성 검증을 통해 기술적 완성도를 높이고 상용화를 위한 기반을 마련하는 데 초점을 맞출 필요가 있다.

2. 실험 방법

3. 결과 및 논의

Fig. 1은 NdFeB/PMMA 복합체 필름의 제조 과정을 단계별로 나타낸다. 먼저, DMF를 용매로 사용하여 PMMA를 용해한 후, 1500 rpm에서 50°C로 유지하며 24 시간 동안 NdFeB 입자를 분산시켰다. 이 과정에서 입자의 균일한 분산을 유도하고 응집을 최소화하기 위해 적절한 교반 조건을 설정하였다. 이후, 혼합된 용액을 60°C에서 12시간 동안 열처리 (Curing)하여 경화시킴으로써 PMMA 매트릭스 내에 NdFeB 입자가 고정되었고, 최종적으로 균일한 복합체 필름이 형성되었다.

Fig. 1.

Schematic illustration of the fabrication process for NdFeB/PMMA(Polymethyl methacrylate) composite films.

Fig. 2는 NdFeB/PMMA 복합체의 미세구조를 다양한 NdFeB 질량 농도에서 SEM (주사전자현미경) 이미지를 통해 비교한 결과이다. Fig. 2(a)는 원료 NdFeB 입자의 SEM 이미지로, 입자 크기가 약 1∼10 μ m 범위에 걸쳐 있으며 불규칙한 형태를 보였다. Fig. 2(b)는 PMMA 단면의 SEM 이미지로, 균일한 구조를 형성하고 있음을 확인할 수 있다. Fig. 2(c-e)는 각각 5 wt%, 10 wt%, 20 wt%의 NdFeB가 포함된 복합체의 단면 이미지이며, 실험 조건을 맞춰 제작된 복합체의 두께는 약 60 μ m로 유지되었다. 5 wt% NdFeB/PMMA 복합체(Fig. 2(c))는 NdFeB 입자가 PMMA 내에 균일하게 분산되어 있으며, 응집 현상이 거의 관찰되지 않았다. 반면, 10 wt% 및 20 wt% 복합체(Fig. 2(d,e))에서는 입자 농도가 증가함에 따라 NdFeB 입자의 밀도가 높아졌으며, 일부 입자가 응집되는 경향이 나타났다. 이러한 입자 분포는 복합체의 마찰전기 출력 특성에 영향을 미칠 수 있으며, 특히 입자 간 응집이 심화될 경우 전하 밀도가 감소하여 출력 성능이 저하될 가능성이 있다.[20]

Fig. 2.

Cross-sectional SEM images of the (a) NdFeB particles, (b) pure PMMA film, (c) 5 wt% NdFeB/PMMA composites film, (d) 10 wt% NdFeB/PMMA composites film, and (e) 2 0wt% NdFeB/PMMA composites film.

Fig. 3은 pure PMMA와 NdFeB/PMMA 복합체의 X 선 회절 분석 (XRD) 결과를 2θ 범위 5°∼55°에서 비교한 것이다. PMMA의 XRD 패턴에서는 2θ = 13.2°에서 넓은 비정질 피크가, 30.3°에서 작은 피크가 나타났으며, 이는 폴리머 사슬이 일정한 패킹 구조를 형성하고 있음을 보여준다.[21,22] 그러나 PMMA는 결정성이 뚜렷하지 않으며, 이는 비정질적인 특성을 반영한다. 반면, NdFeB/PMMA 복합체에서는 NdFeB 입자의 첨가로 인해 30°∼50° 범위에서 새로운 회절 피크가 확인되었으며, 이는 NdFeB의 결정 구조가 유지되고 있음을 보여준다. 이는 복합체 내에서 NdFeB가 PMMA와의 상호작용에도 불구하고 고유의 결정성을 유지하고 있음을 의미하며, 전기적 및 자기적 성질에 미치는 영향을 추가적으로 연구할 필요가 있다.

Fig. 3.

X-ray Diffraction patterns of pure PMMA and NdFeB/PMMA composites films.

Fig. 4는 pure PMMA와 NdFeB/PMMA 복합체의 열적 안정성을 평가한 열중량 분석 (Thermogra v imetric analysis) 결과이다. PMMA의 분해는 세 단계로 진행되며, 초기 분해 온도(T10%, 즉 10% 중량 감소 시작 온도)는 약 232°C, 50% 중량 손실 온도 (T50%)는 약 363°C로 측정되었다.[23] NdFeB를 5 wt% 첨가한 복합체에서는 T10%와 T50%가 각각 258°C와 370°C로 증가하였으며, 10 wt% 및 20 wt% 복합체에서는 각각 272°C, 378°C 및 280°C, 396°C로 더욱 상승하였다. 또한, 600°C에서 잔류물의 양이 NdFeB 농도에 따라 증가하는 경향을 보였으며, pure PMMA의 잔류물은 3.1%였으나 5 wt% 복합체는 16.6%, 10 wt% 복합체는 24.7%, 20 wt% 복합체는 41.1%로 확인되었다. 이는 NdFeB 함량이 증가할수록 복합체의 열적 안정성이 향상됨을 시사하며, NdFeB가 열분해 과정에서 구조적 안정성을 제공할 수 있음을 의미한다.

Fig. 4.

Thermogravimetric analysis curves of pure PMMA and NdFeB/PMMA composites involving 5, 10, and 20 wt% NdFeB.

Fig. 5는 NdFeB 농도 변화에 따른 NdFeB/PMMA 복합체 기반 TENG의 출력 특성을 보여준다. 기본적인 TENG는 나일론/Al 전극으로 이루어진 상부층과 NdFeB/PMMA 복합체/Al 전극으로 이루어진 하부층으로 구성되며, 접촉 대전과 정전기 유도의 결합 효과를 기반으로 작동한다. 외력이 가해지면 나일론과 NdFeB 복합체가 접촉하여 나일론은 양전하를 띠고, NdFeB 복합체는 음전하를 띠게 된다. 이후 상부층이 하부층에서 멀어질 때, NdFeB 복합체 표면의 음전하가 전자를 밀어내어 전자가 외부 회로를 따라 하부 전극에서 상부 전극으로 흐르게 된다. PMMA 기반 TENG의 출력 전압은 약 120 V였으나, NdFeB 함량 증가에 따라 점진적으로 상승하였다. 특히, 5 wt%에서 최대 230 V의 출력을 기록하였으며, 출력 전류 (54 μ A)와 전하량(62 μ C/m²) 또한 증가하는 경향을 보였다. 하지만 10 wt% 이상에서는 출력 성능이 오히려 감소하였으며, 이는 SEM 분석 결과에서 확인된 바와 같이 과도한 NdFeB 첨가로 인한 입자 응집과 전하 밀도 저하 때문으로 판단된다. 따라서 NdFeB 농도가 일정 수준을 초과하면 오히려 성능이 저하될 가능성이 있음을 보여준다.

Fig. 5.

(a) Voltage, (b) current, and (c) charge density of TENGs with PMMA and NdFeB/PMMA composites containing 2, 5, 10, and 20 wt% NdFeB.

Fig. 6은 전자석을 이용한 NdFeB/PMMA 복합체의 자화 과정이 TENG 성능에 미치는 영향을 보여준다. Fig. 6(a)는 실험에 사용된 전자석 장치로, PMMA 기반 필름이 외부 자기장에 노출되어 자화되는 구조를 나타낸다. Fig. 6(b)는 전자석 내부에서 필름이 받는 영향을 개념적으로 설명하며, N극과 S극 사이에서 NdFeB 입자가 외부 자기장에 의해 자화되는 과정을 도식화한 것이다. Fig. 6(c-e)는 PMMA와 5 wt% NdFeB/PMMA 복합체의 출력 전압, 전류, 전하량을 비교한 결과이다. 외부 자기장(0.3 T)이 적용된 PMMA의 출력 변화는 미미한 수준이었으나, NdFeB 복합체의 출력은 약 1.6배 증가하였다. 이는 NdFeB 입자가 자화됨으로써 마찰전기 성능을 향상시킨 결과로 해석할 수 있다. 즉, NdFeB와 외부 자기장을 활용한 자화 과정이 TENG의 성능을 효과적으로 증대시킬 수 있음을 확인하였다.

Fig. 6.

(a) Experimental setup with an electromagnet for magnetizing NdFeB/PMMA composites, (b) Schematic of the magnetization process of NdFeB particles under an external magnetic field, (c) Voltage, (d) current, and (e) charge density for pure PMMA and 5 wt% NdFeB/PMMA composites with and without a 0.3T magnetic field.

외부 자기장의 방향이 자화에 미치는 영향과 TENG의 출력 성능을 분석하기 위해 0°∼180° 범위에서 자기장을 설정하였다. Fig. 7(a)는 전자석 사이에서 전기장과 필름이 이루는 각도 (0°, 30°, 60°, 90°)를 개념적으로 나타낸 것이다. Fig. 7(b,c)에서 볼 수 있듯이, 자기장의 방향이 0°에서 90°로 증가함에 따라 5 wt% NdFeB/PMMA 복합체 기반 TENG의 출력 전압과 전하량이 증가하며, 각각 최대 약 500 V와 105 μ C/m²에 도달하였다. 이러한 결과는 강자성 재료 기반의 TENG 출력 특성이 외부 자기장과 밀접한 관련이 있음을 보여주며, 이는 맥스웰 방정식에서 유도된 향상 메커니즘을 뒷받침한다.

Fig. 7.

(a) Schematic illustration of the NdFeB magnet's rotation angles (0°, 30°, 60°, and 90°) relative to the external magnetic field, (b) Voltage and (c) charge density of the 5 wt% NdFeB/PMMA composites-based TENG at different rotation angles.

Fig. 8은 TENG의 실제 활용 가능성을 평가하기 위해 180개의 LED를 구동한 실험 결과를 보여준다. Fig. 8(a)에서는 5 wt% NdFeB/PMMA 복합체 기반 TENG와 180개의 LED가 연결된 회로 구성을 개략적으로 나타내었다. LED는 두 그룹으로 나뉘어 각각 90개씩 직렬로 연결되었으며, 두 그룹은 병렬로 구성되어 있다. TENG가 회로에 전력을 공급하였을 때, 180개의 LED가 모두 균일하게 점등되는 것을 확인할 수 있으며, 이는 TENG가 일정한 출력을 유지하면서도 실질적인 전력 공급이 가능함을 의미한다(Fig. 8(b)).

Fig. 8.

(a) Circuit diagram showing the 5 wt% NdFeB/PMMA composites-based TENG powering 180 LEDs connected in two parallel groups of 90 LEDs each, (b) Photograph of the experimental setup with LEDs on a breadboard. The right image shows all 180 LEDs successfully illuminated by the 5 wt% NdFeB/PMMA composites-based TENG.

4. 결론

본 연구에서는 NdFeB/PMMA 복합체 기반 TENG의 제작 및 성능 평가를 통해 강자성 재료와 외부 자기장을 활용한 에너지 수확 기술의 가능성을 입증하였다. NdFeB 입자의 농도와 분포는 복합체의 출력 특성에 중요한 영향을 미쳤으며, 적절한 농도 (5 wt%)에서 최대 출력 성능(전압 230 V, 전류 54 μ A, 전하 밀도 62 μ C/m²)을 확보하였다. 그러나 과도한 NdFeB 첨가는 입자 응집으로 인해 출력 성능이 저하될 수 있음을 확인하였다. 또한, 외부 자기장을 이용한 자화 과정은 NdFeB 복합체의 마찰전기 성능을 효과적으로 증대시켰다. 0.3 T의 자기장 하에서 NdFeB/PMMA 복합체는 약 1.6배 향상된 출력을 보였으며, 자기장의 방향과 강도를 조절함으로써 TENG의 성능을 최적화할 수 있음을 실험적으로 입증하였다. 특히, 자기장 각도가 90°일 때 최대 전압(500 V)과 전하 밀도(105 μ C/m²)에 도달하여 외부 자기장과 TENG 출력 간의 밀접한 상관관계를 확인하였다. 마지막으로, TENG는 180개의 LED를 성공적으로 구동하며 실제 응용 가능성을 보여주었다. 이는 NdFeB/PMMA 복합체 기반 TENG가 안정적이고 지속적인 전력 공급이 가능한 에너지 수확 장치로 활용될 수 있음을 시사한다. 결론적으로, 본 연구는 NdFeB와 외부 자기장을 활용한 자화 기술이 TENG의 출력 성능을 향상시키는 데 효과적임을 보여주었으며, 이를 통해 차세대 에너지 수확 기술로서의 실용성과 확장 가능성을 제시하였다. 향후 연구에서는 NdFeB 복합체의 설계 최적화와 다양한 응용 환경에서의 성능 검증을 통해 기술적 완성도를 높이는 데 초점을 맞출 필요가 있다.

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