10배 향상된 차세대 나노발전기 개발, 세계가 주목하는 연구자

전북대학교 물리학과 부상돈 교수 임세정 기자l승인2016.08.31l수정2016.08.31 11:16

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▲ 전북대학교 물리학과 부상돈 교수

10배 향상된 차세대 나노발전기 개발, 세계가 주목하는 연구자
전북대학교 물리학과 부상돈 교수

영국 출신의 과학자 M.패러데이가 발견한 발전기의 원리는 상용화 과정을 거치며 현대문명의 문을 활짝 열었다. 전기를 폭 넓게 사용할 수 있게 되면서 현대사회는 눈부신 속도로 발전하기 시작했고, 이제 전기 없는 생활은 상상할 수 없게 되었다. 그리고 이처럼 놀라운 진화를 거듭한 발전기술은 이제 작은 움직임이나 압력만으로도 전기를 생산해낼 수 있는 나노발전기의 탄생을 눈앞에 두고 있다. 미래 인류의 생활을 바꿀 첨단기술, 그 최전선에 서 있는 전북대학교 물리학과의 부상돈 교수를 만나봤다.

인식의 전환으로 기술 혁신을 일구다
나노 크기(10억 분의 1 m)의 물질을 사용해 전기를 생산하는 나노발전기는 압전 물질에 압력이나 구부러짐 등과 같은 물리적 힘이 가해질 때 전기가 발생하는 특성인 ‘압전 효과’를 이용한다. 특히 작은 움직임에도 전기를 생산할 수 있으며, 에너지자원 고갈의 염려가 없는 환경친화적 에너지라는 점에서 크게 주목받은 바 있는 혁신기술이다. 그러나 생성되는 전기량이 워낙 극소량인 탓에 실제 상용화 단계에 접어들기에는 부족했으며, 이를 개선하기 위한 연구가 전 세계적으로 진행되어 왔던 것이 사실이다.

최근 전북대학교 물리학과의 부상돈 교수 연구팀이 나노입자의 ‘전왜효과(flexoelectricity)’를 이용해 개발에 성공한 신개념 나노발전기가 전 세계적인 주목을 받은 것은 바로 이러한 이유 때문이다. 기존의 나노제너레이터의 경우 박막이나 나노 구조 형태의 압전체로 제작되어 전기 발전의 효율이 그리 높지 않은 것이 문제가 되어 왔다. 이에 미국과 중국, 국내 연구진 등은 전도체와 압전체를 섞은 복합체 제작을 통해 전도성과 분산성을 향상시켜 발전 효율을 높이는 연구를 계속해왔다. 그러나 부상돈 교수 연구팀이 개발한 나노제너레이터 소자는 이보다 한 단계 나아가 두 물질의 결합 형태의 개선을 통해 발전 특성의 향상을 꾀한 것이다. 

연구팀은 다중벽 탄소 나노튜브(MWCNT) 표면에 PZT 압전 나노파티클을 직접 성장시킴으로써, 두 물질이 화학적으로 강하게 결합된 복잡구조물 압전체 시료를 개발해냈으며, 이 시료를 이용해 flexible한 압전체 나노발전기를 제작, 높은 출력전압과 전류를 발생시키는데 성공했다. 이는 단순히 두 물질을 혼합하는 것이 불과했던 기존 단순 복합체에 비해 10배 이상 향상된 출력을 보여주고 있으며, 향후 나노제너레이터의 상용화 가능성을 크게 높인 연구결과로 평가받고 있다. 이 연구 결과는 세계 최고의 과학저널인 네이처의 자매지 「사이언티픽 레포트(Scientific Reports)」 최신호 온라인판에 게재됐다.

부상돈 교수는 “이 기술은 추후 진전된 연구를 통해 전기 발생이 가능한 웨어러블 기기나 인체 내에서 작동되는 의료기기 등 다양한 분야에 활용될 수 있을 것으로 기대되고 있습니다. 또한 상시 사용전력을 생산하기 위한 초소형 발전설비 구축 등 화석 연료 고갈에 따른 에너지원 부족 문제를 해결할 열쇠가 되리라 생각합니다”라고 밝혔다.

도전과 열정, 끈기로 걸어온 물리학 외길
전 세계 나노발전 연구 분야를 선도하리라 예상되는 이러한 첨단기술 개발의 바탕에는 오랜 시간 동안 강유전체, 압전체, 초전도체 분야의 연구를 수행해 온 부상돈 교수의 노력이 있었다. 서강대학교에서 석·박사 학위를 취득하고 미국으로 건너가 듀크대학교 박사후 연구원, 위스콘신대학교 박사후 연구원으로 재직한 그는 귀국 후 서울대학교 연구교수를 거쳐 2003년부터 지금까지 전북대학교 물리학과 교수를 역임하고 있다. 

그는 특히 ‘나노구조의 강유전체/압전체 물질 제작 및 물성’에 큰 관심을 가지고 꾸준한 연구를 수행해왔다. 그 결과로 29편의 관련 논문을 국내·외 학술지에 발표했으며, 나노구조물 제작 및 물성과 관련된 특허 5건을 등록하기도 했다. 그 가운데서도 외경 50nm, 벽두께 3-7nm를 가지는 PZT 나노튜브에 대한 연구결과는 「Nano Letters」 저널에 교신저자로 발표되기도 했다. 이러한 연구 성과는 2008년 전북대학교 학술상 수상의 결과를 낳았으며, 그밖에도 국제학술대회 우수발표상 5회, 국내학술대회 우수발표상 15회, 최근에는 2016 과학기술우수논문상을 수상하기도 했다. 뿐만 아니라 그는 대학원 이후 지금까지 115편의 논문을 발표했으며(SCI 저널 99편, non-SCI 저널 16편), 그 중 100회 이상 인용된 논문이 9편, 전체 인용회수가 4200회에 달할 정도로 해당 분야의 저명한 연구자로 손꼽히고 있다.

부상돈 교수는 “연구자에게 가장 중요한 것은 흔들림 없이 자신의 연구 분야에 끊임없이 몰두하는 자세입니다. 물리학에 있어 새로운 발견이나 성과는 결코 단시간에 얻어지는 것이 아닙니다. 무언가 하나를 이뤄내겠다는 욕심을 갖고, 진득하게 연구를 진행하는 장인정신이 있어야만 비로소 과학계에 한 획을 그을 수 있다고 생각합니다”라고 강조했다. 2011년 이후 현재까지 부 교수는 한국물리학회에서 발간하는 「New Physics: Sae Mulli」 국제학술지 편집이사를 역임하고 있으며, 이를 통해 후대 연구자들을 지원·육성하고자 힘쓰고 있다. 도전과 열정, 끈기가 없었다면 지금의 자신도 없었을 것이라 말하는 부상돈 교수. 물리학을 향한 끊임없는 그의 열정이 꿈을 키워나가는 후학들에게 좋은 모범으로 전달되기를 바란다.

Development of 10 times improved next generation nano generator 
Chonbuk National University physics professor Bu Sang-don
Changing the way we see things to bring innovation

A nano generator generates electricity by using 1m/1billion matters and piezoelectric effect. Even a little movement can generate electricity with this device but the amount of energy generated is too little which has made it hard to commercialize. There have been numerous researches on improving this drawback among physicists all over the world. In this respect, it is not surprising that the new concept nano generator developed by using ‘flexoelectricity’ by the team of Chonbuk National University physics professor Bu Sang-don is drawing global attention. The existing nano generators so far have proved to have low generating efficiency due to a thin piezoelectric film and researchers have focused on mixing conductor and piezoelectric body to solve the problem. But the new concept nano generator even has improved the convergence of these two parts. The team developed a complex structured piezoelectric sample by growing PZT nano particle on the surface of MWCNT to develop the generator to generate 10 times high output voltage. The team currently is seeing the commercialization of the generator in near future and the news has been published on Scientific Reports online. “We are expecting to apply our technology to wearables and in-body medical devices in the future. It might also be seen as a solution for oil depletion when subminiature electricity generators become possible to commercialize” predicts Bu. 

Walking the single path with passion and challenging spirit
Bu obtained both master’s degree and PhD at Sogang University. He then crossed the Pacific Ocean to the US and worked as a researcher at Duke University and University of Wisconsin. He worked as a research professor at Seoul National University when he came back and is currently working for Chonbuk National University. He has published 20 papers on academic journals home and abroad and obtained 5 patents relating to nano structure and material properties, of which, one on PZT Nano Tube, which has 50nm external diameter and 3-7mm wall thickness, being published on Nano Letters. In recognitions of his contribution to the field, Bu received The Chonbuk National University Academic Awards 2008, The Excellent Science Technology Thesis Awards 2016, and five excellent presentation prizes at numerous international symposiums and 15 at domestic symposiums. But his total papers published since graduate school count 115 (SCI 99, non-SCI 16) of which 9 have been quoted more than 100 times and around 4,200 times of the whole level quotation. “You can’t see the fruits of your research in a short period of time if you are a physicist. Diligence, patience and consistency, and above all the passion, for this reason, are much required virtues of them” says Bu. Meanwhile, Bu is serving as the editorial director of New Physics: Sae Mulli with his will to support talented young physicists. <Power Korea> sends a message of support. 
 


임세정 기자  cream132@naver.com
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