[위즈뉴스] 국내 연구진이 일상적으로 버려지는 마찰전기 에너지를 전기에너지로, 보다 높은 효율로 전환하는 기술을 개발했다.
지스트(광주과학기술원, 총장 김기선)는 지난달 30일, 에너지융합대학원 박찬호 교수와 전남대학교 고분자융합소재공학부 박종진 교수로 구성된 공동연구팀이 일상생활에서 버려지는 마찰전기 에너지의 발생 소재에서 효율적인 에너지 수확을 위해 마찰 표면을 더 많은 양(+)의 기전력과 음(-)의 기전력을 가질 수 있는 상태로 변환시켜 마찰전기 서열을 자유자재로 바꿀 수 있는 획기적인 방법을 개발했다고 밝혔다.
이 방법은 기존 마찰전기 에너지의 전환 효율을 약 40배 향상시키는 기술로, 웨어러블 디바이스의 전원이나 사물인터넷(IoT) 등에 사용이 가능할 것으로 기대된다.
이번 연구 성과를 담은 논문은 재료 분야의 SCI급 저명 국제학술지 ‘Small Methods(IF=14.188)’ 5월 18일자에 게재됐으며, 전면 내부 표지 논문(Inside Front Cover)으로도 선정됐다.
논문명은 'Controllable Triboelectric Series Using Gradient Positive and Negative Charge Confinement Layer with Different Particle Series of Mesoporous Carbon Materials'이며, 지스트 박찬호 교수와 전남대 박종진 교수가 공동 교신저자로, 전남대 차석준 석사과정생과 지스트 김종경 석박통합과정생이 공동 제1저자로 참여했다.
공동연구팀의 박찬호 교수는 “다공성 탄소 소재를 활용해 주변에서 버려지는 마찰전기나 정전기를 실제 활용할 수 있는 전기로 수확할 수 있는 디바이스를 제조했다”며 “향후 소재 개발을 통해 실제 웨어러블 디바이스에 적용할 계획”이라고 말했다.
이어, 공동연구팀 박종진 교수는 “마찰전기를 담지할 수 있는 다공성 소재 개발은 최근 다양한 마찰전기 기반의 에너지 수확 시스템에서 높은 효율의 에너지 발생 효율을 기대할 수 있고, 웨어러블 디바이스에 필요한 자가 발전 소재로 응용 가능한 핵심 소재로 기대된다”라고 말했다.
공동연구팀은 다공성 탄소의 외부 비표면적이 클수록 전하를 잘 붙잡고 작을수록 전하 이동이 빨라지는 현상을 이용해, 외부 비표면적을 변화시킨 다공성 탄소 세 종류를 적층하여 전하의 이동을 제어함으로써 마찰전기 저장 효율을 향상시켰다.
다공성 탄소는 다량의 기공을 포함하고 있는 탄소 재료를 뜻하며, 기공이 많을수록 표면적이 커진다는 특징이 있다. 비표면적(Specific surface area)은 단위 무게당 물질의 표면적을 뜻하며, 외부 비표면적은 외부에 노출된 표면적을 의미하며 클수록 전하를 붙잡을 수 있는 공간이 넓다.
그 결과, 기존에 다공성 탄소를 사용하지 않은 마찰전기 발전기의 경우 15.2V의 출력 전압을 나타냈지만, 이번 연구의 방법과 재료를 사용할 경우 기존보다 약 40배 향상된 600V의 출력 전압을 얻을 수 있었다.
기존의 마찰전기 에너지 하베스팅 연구에서는 단순한 표면 화학구조의 변화나 물리적인 표면적 향상에 초점을 맞춘 반면, 이번 연구는 다공성 탄소를 이용하여 마찰전기 발전기 재료 내부에서의 전하 이동과 저장 현상을 설명함으로써 후속 연구에서 다양한 소재 개발, 재료 구성의 가능성을 열어두었다.
[그림설명] 마찰전기 전극에 전하를 주입하여 저장하는 개략도
에너지 하베스팅(Energy Harvesting)은 주변에 버려지는 에너지를 수집해 전기를 생산하는 기술로, 열이나 진동 등의 자연적인 에너지원으로부터 발생하는 에너지를 전기에너지로 전환시켜 ‘수확(harvesting)’하는 것을 말한다.
에너지 하베스팅은 자연에 존재하는 청정에너지나 일상적으로 무시되는 작은 에너지를 모아 활용하기 때문에 공급의 안정성과 보안성, 지속성을 유지할 수 있어 신재생 에너지 원천기술로 각광받고 있다. 또한 화석연료를 사용하지 않아 친환경적이라는 장점이 있다.
이번 연구는 지스트 GRI(GIST 연구원) 사업 및 산업통상자원부의 산업기술혁신사업의 지원으로 수행됐다.
