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물방울로 전력 생산하는 통통 튀는 발전기 개발
김성수 기자|kss@kidd.co.kr
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물방울로 전력 생산하는 통통 튀는 발전기 개발

4차원 프린팅 공정으로 제작, 발전량 30%↑

기사입력 2023-12-06 09:22:27
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물방울로 전력 생산하는 통통 튀는 발전기 개발
최동휘 권기락 감동익(좌측부터)

[산업일보]
탄소 중립 사회 실현을 위한 지속 가능한 에너지, 자연환경에 존재하는 다양한 역학적 에너지원을 활용한 전기 생산 기술에 대한 관심이 많아지고 있다.

역학적 에너지원 중 하나인 떨어지는 물방울은, 자연에서 햇빛이나 바람과 같이 산발적으로 발생하는 특성을 갖고 있다. 소형 전자 기기의 잠재적 분산형 전력원으로써 활용할 수 있다.

물방울로 전력 생산하는 통통 튀는 발전기 개발

물방울 기반 발전기(droplet-based electricity generator, DEG)는 물방울과 고체 표면 사이의 접촉에 의해 생성된 정전하를 사용해 전기를 생성하는 원리다. 2020년 세계 최초로 제안된 DEG는 단일 물방울로부터 높은 전기 출력을 생성한다고 보고되고 있기에, 최근 발전 성능을 향상시키기 위해 많은 연구가 전 세계적으로 활발히 진행되고 있다.

대부분의 연구는 기존 소자 내 새로운 소재를 활용하는 연구이며, 물방울과 딱딱한 고체 표면 사이에 발생하는 충돌로 인해 낭비되는 에너지를 활용하고자 하는 시도는 전무하다. 만약 물방울의 충돌로 인해 낭비되는 에너지를 추가적으로 활용할 수 있는 새로운 방법 및 소자가 제안된다면, 새로운 소재를 활용하고자 하는 기존 연구들과 손쉽게 융합될 수 있기에, DEG 성능 향상에 있어 매우 큰 파급효과를 낼 것으로 기대된다.

마치 트램펄린처럼 탄성이 있는 표면에 물방울을 떨어뜨려 기존 ‘물방울 기반 발전기’의 발전 효율을 획기적으로 높이는 하이브리드 발전기가 개발됐다.

한국연구재단(이사장 이광복)은 경희대학교 최동휘 교수 연구팀이 한국기술교육대학교 박성제 교수, 라문우 교수와 함께 압축 좌굴 현상에 기반 한 4차원 프린팅 공정 기술을 새롭게 제안하고, 해당 공정을 활용해 떨어지는 물방울로부터 전기를 생산할 수 있는 물방울 기반 하이브리드 발전기를 개발했다고 6일 밝혔다.

물방울 기반 발전기(이하 DEG)는 물방울과 고체 재료가 접촉하면서 발생하는 정전기를 활용해 전기 에너지를 생산하는 소자다.

떨어지는 물방울은 자연환경에 존재하는 역학적 에너지원 중 하나로 이를 활용한 에너지 수확 기술은 2020년 처음 제안된 이후, 소형 전자기기의 분산형 전력원 등으로 활용 가능성이 높아, 전기 에너지 생산량을 높이기 위한 연구가 활발하다.

기존 연구는 소자 내 신소재를 도입하는 연구가 대부분이며, 떨어지는 물방울이 충돌할 때 낭비되는 역학적 에너지를 줄이려는 시도는 전무한 상황이다.

최동휘 교수 연구팀은 기존 DEG가 적용한 딱딱한 고체 표면 충돌 방식에서 벗어나, 탄성을 갖는 구조를 채택함으로써 낭비되는 에너지까지 회수하는 방법의 실마리를 찾아냈다.
떨어지는 물방울이 고체 표면과 충돌하면서 낭비되는 에너지를 소자 내 탄성에너지의 형태로 변환, 저장된 탄성에너지가 추가적으로 전기를 생산할 수 있는 ‘물방울 기반 하이브리드 발전기’를 최초로 개발했다.

특히 이 발전기는 압축을 받을 때 휘어지는 현상으로 널리 알려진 ‘압축 좌굴’현상에 기반한 4차원 프린팅* 공정을 통해 시연, 제작됐다.

이렇게 제작된 소자는 통통 튀는 탄성 구조를 띠어 물방울의 역학적 에너지의 일부를 소자 내 탄성에너지의 형태로 변환하고, 이를 추가적으로 수확해 기존 발전기 대비 약 30% 향상된 에너지 생산량을 보였다. 연구팀은 약 1만 개의 물방울을 반복 활용해 소자의 성능을 검증하고, 안정성과 내구성까지 입증했다.

최동휘 교수는 이번 연구성과에 대해 “미래의 잠재적 분산형 전력 공급원으로써 실용화 연구를 지속할 계획”이라고 밝혔다. 또한, “학부연구참여활동을 통한 경희대학교 권기락 학부연구생(현재 경희대학교 기계공학과 석사과정)이 공동 제1저자의 역할로 성과 창출에 크게 기여했다”고 말했다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 우수신진연구자지원사업 및 4단계 BK21사업의 지원으로 수행된 이번 연구 성과는 재료공학 분야 우수 국제학술지 ‘어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)’에 11월 28일 게재됐으며, 연구의 우수성을 인정받아 표지 논문으로 선정됐다.
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