압력과 마찰로 전기 만든다

DGIST 김회준 교수팀, 압전-마찰전기 하이브리드 나노발전기 개발
기존 발전기보다 효율 높아 저전력 전자기기·자가발전 센서 적용 기대

압전-마찰전기를 적용한 에너지 하베스터. DGIST 제공

[파이낸셜뉴스] 대구경북과학기술원(DGIST) 로봇공학전공 김회준 교수팀이 '압전-마찰전기 하이브리드 나노발전기'를 개발했다.

20일 연구진에 따르면, 이 발전기는 300V의 전압과 4.7㎂의 전류를 만들어냈다. 즉, 기존의 압전 나노발전기보다 20배 많게 전기를 만들어낸다. 또한 기존 마찰전기 나노발전기보다 3배 이상 전기를 많이 만들어낸다.

연구진은 "이 발전기가 기존 발전기보다 더 높은 출력 성능을 가져, 향후 웨어러블 의료기기를 포함한 다양한 분야에서 활용이 가능할 것"이라고 전망했다.

연구진은 고효율의 하이브리드 압전-마찰전기 나노발전기를 만들기 위해 무연납, 무독성의 고분자 세라믹 복합재료인 티탄산 비스무스와 실리콘 오일을 혼합해 사용했다. 이 때 활용된 티탄산 비스무스는 무독성이며 납이 포함돼있지 않은 친환경 물질로, 신체에 직·간접적으로 적용돼도 무해하다.

이 나노발전기는 기존의 마찰전기 나노발전기와 압전 나노발전기를 합친 형식이다. 마찰에서 일어나는 에너지와 기계적 운동에서 발생하는 에너지를 모두 전기에너지로 바꾼다. 측정 결과, 300V의 전압과 4.7㎂의 전류를 만들어냈다.

추가적으로 연구진은 작은 상자 안에 2개의 나노발전기 유닛을 서로 연결했다. 이 때, 두 나노발전기 사이에 작은 공을 넣어 전류 전달이 가능하도록 했다. 이를 통해 모터가 움직이며 발생하는 기계적 에너지를 전기에너지로 변환, 축전기에 저장되도록 했다.

연구진은 "이 구조가 초기 발전기의 성능 측정을 위해서 제작됐지만, 저장된 전기에너지를 LED 조명이나 계산기, 손목시계 등 소형 전자기기를 작동시키기에 충분할 정도의 성능을 갖고 있어, 앞으로 다양한 응용이 기대된다"고 말했다.

현재 환경오염 물질들로 제작된 전자기기의 배터리를 대체할 친환경 재생 가능 에너지원 개발 연구가 계속되고 있다.

이렇게 개발된 다양한 재생 가능 에너지원들 중 표면 간 접촉으로 발생하는 마찰전기 대전현상과 정전기적 유도현상을 바탕으로 전기적 에너지를 생성하는 '마찰전기 나노발전기'와 압전재료가 기계적 에너지를 공급 받았을 때 이를 전기적 에너지로 변환하는 '압전 나노발전기'는 모두 낮은 전력 출력이 한계점으로 지적돼왔다.

DGIST 로봇공학전공 김회준 교수는 "로봇에 적용되는 촉각센서를 연구하면서 압전-마찰전기 나노발전기에 관심을 갖게 됐다"며 "우리는 새로운 나노 물질을 합성하기 위한 연구를 계속하고 나노발전기를 개발하여 자체 구동 센서의 개발을 목표로 연구를 계속할 것"이라고 말했다.

한편, 이번 성과는 그 우수성을 인정받아 가장 권위 있는 국제 학술지 중 하나인 '나노 에너지(Nano Energy)'에 발표됐다.

[e-mail] 김만기 기자