안녕하세요? LG CNS 대학생 기자단 김보겸입니다.

종이가 진화를 거듭하면서 스마트 종이의 출현이 임박하고 있습니다. 유럽에서는 종이 표면에 무선 센서 기기를 탑재하는 ROPAS(Roll-to-roll Paper Sensors) 프로젝트가 진행 중이며, 그 외에도 전지, 태양전지, RFID(Radio Frequency Identification) 태그, 트랜지스터 등 다양한 종류의 센서와 기기들이 종이 위에 구현되고 있습니다.

최근에는 여기서 한발 더 나아가 자체적으로 동력을 생산할 수 있는 종이가 등장했다고 하는데요. 이것이 어떻게 가능한지 함께 알아보겠습니다.

한 단계 진화한 전자 종이, ‘자가동력 투명종이’

최근 해외에서 ‘자가동력의 사용자 인터랙티브 투명 나노페이퍼 시스템(Self-Powered Human-Interactive Transparent Nanopaper Systems, 이하 자가동력 투명 종이)’이 개발되었습니다.

중국의 우한 국립 광전자 연구소 및 화중과학기술대학의 쥔 저우(Jun Zhou) 교수와 미국 메릴랜드대학 재료공학 및 에너지연구소 조교수인 량빙 후(Liangbing Hu)가 이끄는 연구팀이 2015년 6월 학술지 ‘ACS NANO’을 통해 이 연구결과를 소개했는데요. 이 시스템은 정전기 유도 메커니즘 및 유전물질을 기반으로 하여 개발되었으며, 외부의 전력 공급 없이도 스스로 전력 공급이 가능하다고 합니다.

자가동력 투명종이는 ‘종이 기반의 투명 플렉서블 발전기(Transparent Paper-Based Flexible Generator, 이하 TPFG)’를 기반으로 하는데요. 이는 기본적으로 두 개의 투명한 전극 성분으로 구성되어 있습니다. ‘탄소 나노 튜브’로 코팅된 두 장의 나노종이를 사용하는데, 이 중 한 장은 추가적으로 폴리에틸렌 필름으로 쌓여 있습니다. 즉, 한 장의 폴리에틸렌 코팅면과 다른 한 장의 탄소 나노 튜브 코팅면이 마주보게 되는 것입니다.

기본적인 작동 원리는 잔류 전하에 의한 ‘정전기 유도(Electrostatic Induction) 효과’입니다. 두 구성 물질 사이에 있는 공기 층의 변동성이 교류 전류를 발생시키는 데 중요한 역할을 하는데요. TPFG가 본래의 평형상태에 있을 때는 자유전자가 외부로 흐를 수 없습니다. 하지만 TPFG에 수직적인 압력을 가하면 두 구성 물질 사이의 공기층이 좁아지면서 탄소 나노 튜브 전극 하부에 더 많은 양전하가 유발되는 것입니다.

즉 압력을 주어 전하의 흐름을 한 방향으로 유도한 후, 그 압력이 해소되면 새로운 평형 상태를 만들기 위해 또 다시 전류가 흐르는 원리를 이용한 것인데요. 이러한 과정의 반복을 통해 자체적인 전력 공급이 가능하게 되는 것입니다.

종이를 기반으로 하는 특성은 다양한 분야에서 종이를 대체해서 사용될 수 있음을 의미하는데요. 부착과 제거가 용이하고 대량 생산이 가능하다는 점 덕분에 자가동력 투명종이는 매우 실용적인 기술로 여겨지고 있습니다.

‘자가동력 투명종이’의 활용

자가동력 투명종이는 도난 방지 시스템에 사용할 수 있습니다(그림 a). 탈부착이 자유롭고 광선투과율이 우수하기 때문에 예술품의 표면에 손상을 가하지 않고, 눈에 보이지 않아서 매우 안전하다는 장점이 있습니다. 뿐만 아니라 외부 압력에도 민감하기 때문에 도난 방지 시스템에 활용하기에 아주 적합한 물질이라 할 수 있습니다.

또한 위조 방지 시스템에도 활용될 수 있는데요(그림 b). 식별번호나 등록일자 등의 정보를 담은 투명종이를 출생증명서와 같은 중요한 문서에 코팅하는 등의 방법으로 문서 위조 방지가 가능합니다.

자가동력 투명종이는 인간과 상호 작용하며 웨어러블 전자 기기를 통한 자가 건강진단에 사용되기도 하는데요. 이것은 현재 스마트 워치와 모바일 애플리케이션을 통해 상용화 되었습니다.

또한 이 상호 작용을 정전기 유도를 바탕으로 한 자가 동력 기술과 결합한다면 그 활용 범위는 더욱 넓어질 텐데요. 단순히 개인의 건강진단용 웨어러블 디바이스뿐만 아니라 동력의 지속적인 제공이 중요한 군대와 방위 분야에서 유용하게 사용될 것으로 예상하고 있습니다.

‘자가동력 투명종이’의 발전을 위하여

지금까지 자가동력 투명종이의 개념과 특징, 활용 범위를 살펴보았는데요. 자가동력 투명종이 발전기의 출력 안정성은 높은 습도 환경에서는 부정적인 영향을 받을 수도 있다고 합니다. 따라서 다양한 환경에서의 출력 안정성에 대한 연구가 필요한 것으로 보입니다.

그리고 자가동력 투명종이가 기반으로 하는TPFG의 구성 물질 중 하나인 ‘탄소 나노 튜브’ 전극은 잠재적으로 건강상의 문제를 일으킬 가능성이 있다고 하는데요. 이에 연구팀은 자가동력 투명 종이에 은나노 와이어나 전도성 고분자로 구성된 전도층과 같은 다른 종류의 재료들을 사용할 계획이라고 합니다.

전자 기기가 우리의 삶 속에 깊숙이 침투할수록 전자 기기에 공급되는 전력의 중요성 역시 강조되는데요. 자가동력 투명 종이가 더 발전하고 널리 활용되어 전력 걱정 없는 다양한 디스플레이 제품이 나오기를 기대해 봅니다.