실크 마찰 이용한 전기 발전기 개발

[산업일보]
미래창조과학부(장관 최양희)는 국내 연구진이 천연 바이오 재료인 실크를 마찰시켜 발생시킨 정전기로 마찰 전기 발전기를 개발하는데 성공했다고 밝혔다.

오일권 교수팀(KAIST)은 미래창조과학부가 지원하는 리더연구자지원사업(창의연구)을 통해 연구를 수행했으며, 연구결과는 에너지 분야의 권위 있는 학술지 어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)에 게재됐다.

그동안 기계적 에너지를 이용한 에너지 하베스팅은 자가 발전 시스템으로 활용하기 위한 기술적 잠재력이 무궁무진해 그동안 많이 연구돼왔다. 최근에는 마찰을 이용한 에너지 하베스팅이 기존의 압전형 나노발전기보다 제작의 편리성, 고출력, 비용효과적인 특성으로 인해 여러 연구자들로부터 새롭게 주목을 받고 있다.

하지만 마찰형 나노발전기를 실생활에서 사용하거나 현재 각광받고 있는 인체 친화형 전자기기로 사용하기 위해서는 표면적을 넓히기 위한 복잡한 공정 과정, 고가 장비 사용, 인체 유해물질 사용 등은 개선돼야 할 부분으로 남겨져 있다.

오 교수는 천연 재료인 실크와 플라스틱 계열 폴리이미드를 마찰시키니 정전기가 발생하는 것을 발견하고 표면 전하 측정을 통해 두 재료의 일함수를 구해, 실크는 폴리이미드보다 상대적으로 전자를 잘 잃고, 반대로 폴리이미드는 전자를 잘 얻는 경향을 확인했다.

이에 표면적이 넓을수록 대전되는 면적이 넓어져 마찰 전기 발전량이 더 많다는 것을 실험적으로 확인했다. 또한 실제 환경에서 가해지는 외력은 크기와 형태가 무궁무진하므로, 다양한 펄스 신호를 가진 신호로 사용하여 여러 외부 입력에 따른 발전 성능을 확인했다.

이번 연구를 통해 개발한 마찰 전기 발전기의 순간 출력은 개방회로전압이 약 17 V, 4.3 mW/m2이며, 정류과정을 거쳐 5분 만에 커패시터에 2 V 전압을 축적할 수 있다. 이는 일상생활에서 활용되지 못하고 버려졌던 정전기를 이용한 에너지 하베스팅 기술로서 천연재료인 실크를 이용해 전기발전기를 개발했다는 점에서 연구가치가 있다.

오일권 교수는 “누에고치가 만들어 주는 천연 실크를 사용해 개발한 마찰 전기 발전기는 생체 친화형 재료와 친환경 기술로 간단한 공정과정만으로 널리 활용될 수 있어서, 향후 에너지, 환경 문제의 해결에 기여할 수 있을 것으로 기대된다”고 연구의 의의를 밝혔다.