'물병 흔들면 전기 생산' 수력 나노발전기 개발 - KAIST

KAIST 최양규 교수 

"성능·내구성 우수하고 저렴한 적정기술"

KAIST 최양규 교수

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   국내 연구진이 플라스틱 물병의 물이 출렁일 때 발생하는 물과 용기 표면 간 마찰을 이용해 전기를 생산하는 수력 마찰대전 나노발전기(Hy-TENG)를 개발했다.

물을 이용한 3차원 에너지 수확장치 소자. 불소계 고분자(PTFE)로 만든 원통의 아래와 윗면을 

알루미늄판(Al)으로 된 전극으로 막고 속에 물을 넣어 물이 흔들릴 때 정전기로 발생해 전기가 

생산되도록 했다. <<KAIST 제공>>

한국과학기술원(KAIST) 전기 및 전자공학부 최양규 교수팀은 18일 플라스틱 용기에 간단한 전극을 붙이고 물을 넣어 흔들면 전기가 생산되는 마찰대전(triboelectric) 방식의 에너지 수확장치(energy harvester)를 개발했다고 밝혔다.

각종 모바일 기기와 착용형(웨어러블) 소자, 무선 센서 네트워크 등이 발전하면서 이들 기기에 배터리 대신 주변의 버려지는 에너지를 이용해 에너지를 공급하는 에너지 수확장치 연구가 활발히 진행되고 있다.

에너지 수확장치는 사람이나 기계, 바람, 파도 등의 운동에너지, 빛에너지, 열에너지 등 주변에서 버려지는 에너지를 전기에너지로 변환해 전기를 생산, 공급한다.

특히 운동에너지를 이용하는 에너지 수확장치는 장소, 조건에 따라 에너지 변환효율이 영향을 많이 받는 빛에너지나 열에너지와 달리 환경 조건에 관계없이 에너지를 지속적으로 공급할 수 있어 주목받고 있다.

운동에너지를 이용하는 에너지 수확장치로는 압력을 전기로 변환하는 압전방식과 고분자 필름 및 금속 표면의 마찰 정전기를 이용하는 마찰대전 방식이 많이 연구되고 있다.

하지만 압전방식은 특수한 유전체 및 공정이 필요해 비용이 비싼 단점이 있고 마찰대전 방식은 값이 싸고 공정도 간단하지만 마찰 마모로 인한 내구성 문제와 특정 방향 운동에서만 전기가 생산돼 효율을 높이기 어려운 문제가 있다.

물을 이용한 에너지 수확장치(energy harvester) 소자를 이용한 발광다이오드(LED) 구동 및 축전기 

충전 실험. 지름 5.5㎝, 길이 12㎝로 제작한 수력 나노발전기(Hy-TENG)를 초당 5번 흔드는 운동으로 

전압 22V, 1.45㎂의 전류가 생산돼 10개의 발관다이오드(LED)를 동시에 작동하고 축전기를 충전할 수 

있는 것으로 확인됐다. <<KAIST 제공>>

최 교수팀은 불소계 고분자(PTFE)로 된 원통의 아래, 윗면을 알루미늄판으로 된 전극으로 막고 속에 물을 넣어 물이 흔들릴 때 전기가 생산되게 함으로써 내구성 문제와 운동 방향에 따라 발전효율 떨어지는 문제를 동시에 극복했다.

연구진은 이 장치는 물과 용기 표면의 마찰을 이용하기 때문에 기존 고체 표면 간 마찰을 이용하는 장치보다 내구성이 훨씬 우수하고 물이 흔들리는 모든 방향의 운동에서 전기가 생산돼 발전 효율도 높다고 설명했다.

이 장치를 물통 지름 5.5㎝, 길이 12㎝로 만들고 초당 5번 흔들어 성능을 실험한 결과 전압 22V, 최고 전류 1.45㎂의 전기가 생산돼 발광다이오드(LED)를 작동하고 축전기를 충전할 수 있는 것으로 확인됐다.

최 교수는 "이 장치는 매우 간단한 제작방법과 몇 백원 이하의 저렴한 비용으로 만들 수 있다"며 "낙후지역이나 저개발국 등 직접적인 전력 수급이 어려운 지역에 '적정기술'로 적용하면 전력문제 해소에 기여할 것으로 기대한다"고 말했다.

미래창조과학부 한국연구재단과 나노종합기술원 (NNFC) 지원으로 수행된 이 연구 결과는 국제학술지 '나노 에너지(Nano Energy, 2015년 10월)에 게재됐다.

(대전=연합뉴스) 이주영 기자 scitech@yna.co.kr

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