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전 세계가 심화하는 기후위기에 대응하기 위해 환경 오염의 주범인 화석 연료 사용을 줄이고 있다. 동시에 화석 연료 없이 전력 생산을 원활히 하기 위한 수단으로 재생 에너지에 대한 수요가 높아지고 있다. 태양, 풍력, 수력과 같은 다양한 재생 에너지가 있지만, 기계적 에너지는 인간의 일상적인 활동과 높은 연관성을 가져 많은 연구자가 주목하는 에너지다.
기계적 에너지는 ‘걷기’, ‘달리기’와 같이 다양한 일상 속 활동으로 생성된다. 쉽고 풍부하게 생성되는 장점이 있지만, 에너지 활용도는 낮다. 경희대학교(총장 한균태) 이공분야 대학중점연구소 웨어러블융합전자연구소 유재수(전자공학과) 교수 연구팀이 일상 속 미활용 에너지를 전기에너지로 전환하는 나노 발전 소자를 개발했다. 연구 결과는 에너지 분야 국제학술지 <Nano Energy (IF:17.881)>에 게재됐다.
유재수 교수 연구팀은 일상생활에서 가장 많이 발생하는 기계적 에너지인 회전에너지에 주목해 나노 발전 소자를 개발했다. 이 소자는 마찰전기와 정전기 유도 메커니즘인 마찰전기 나노 발전 원리를 활용해 회전에너지를 전기·전력으로 전환한다. 개발한 소자는 회전에너지를 전기에너지로 쉽게 변환해 휴대용 전자장치에 전력을 공급할 수 있다.
※ 친환경적이면서 비용이 저렴한 나노 발전 소재 개발
마찰전기 나노 발전기는 최근 개발된 기술로 두 물체가 접촉하거나 마찰할 때 발생하는 대전현상을 이용해 역학적 에너지를 전기에너지로 변환하는 작은 규모의 장치다. 마찰전기 나노 발전 분야는 일상생활에 풍부한 기계적 에너지를 전기에너지로 전환할 수 있어 범용성이 높다. 하지만 전기 출력이 낮고, 개발에 사용할 수 있는 재료가 적다는 문제가 있다. 낮은 전기 출력을 높이기 위해 전하/이온을 주입하거나 마찰 유전체의 표면을 화학적으로 변형해 전하 밀도를 높였다. 유재수 교수는 “전기 출력을 높이기 위한 기존 방법은 비환경적이며 무엇보다 출력 안정성이 낮다”고 설명했다.
새로 개발된 나노 발전 소자는 기존 나노 발전 소자의 단점을 개선했다. 연구팀은 정전기를 강하게 유도하는 강유전성 물질(NaNbO3)을 새로 합성하고 서로 다른 마찰 유전성 고분자와 섞었다. 그 결과 마찰 유전성 고분자 필름의 유전율이 높아져 전기 출력이 향상됐다. 유재수 교수는 “연구에 활용한 강유전성 소재는 기존 소재인 납에 비해 독성이 없고, 생분해돼 환경친화적이다. 또한 비용이 적게 들어 기존보다 효율적”이라며 연구 결과를 평했다.
※ 일상생활 속 발생하는 모든 회전 운동을 전기로 전환해 범용성 높여
개발한 나노 발전 소자의 성능을 입증하기 위한 실험도 이어졌다. 연구팀은 나노 발전 소자를 자전거에 설치해 회전에너지를 수확했다. 자전거 페달을 밟을 때 발생한 회전에너지가 나노 발전 소자를 거쳐 전기로 전환됐다. 유재수 교수는 “다양한 조건에서 실험한 결과 개발한 나노 발전 소자가 전기를 안정적으로 출력했다. 앞으로 다양한 휴대용 전자장비에 활용될 것”이라고 말했다. 나노 발전 소자에서 만들어진 전기는 자전거에 달린 속도계 액정디스플레이에 직접 전원을 공급했다.
연구팀은 개발한 나노 발전 소자의 산업화 가능성도 고려했다. 미래에 생산이 쉽도록 3D 프린팅을 이용해 나노 발전 소재를 설계·제작했다. 유재수 교수는 “3D 프린팅 구조는 미래에 대규모 생산을 용이하게 만들고, 다양한 나노 발전 장치를 개발하는 데 응용할 수 있다”며 “개발한 소자는 다목적이고 일상생활에서 발생하는 모든 회전 운동을 전기로 전환할 수 있어 높은 범용성을 가질 것”이라고 강조했다.
※ “친환경 나노 발전 장치 개발해 에너지 위기 극복에 도움 될 것”
웨어러블융합전자연구소는 지난 2018년 교육부 이공분야 대학 중점 연구소 사업 ‘융복합 에너지 자율형 다기능 센서 플랫폼 연구’ 과제에 선정됐다. 이후 웨어러블 융합 전자 소재·공정·소자·시스템 개발 및 응용에 관한 연구로 미래성장동력 핵심 기술을 개발해 과학기술 발전에 기여하고 있다. 특히 미래 다양한 환경에 적용하기 위한 다양한 센서 소자를 연구해 모든 사물이 센서 기능을 가지고, 사물인터넷 환경에서 사용될 에너지 자율형 다기능 센서 플랫폼을 개발하고 있다. 이번 연구 역시 목표의 한 부분이다.
유재수 교수는 ‘친환경 나노 발전 장치 개발에 집중하겠다’는 목표도 밝혔다. 그는 “건강 문제와 환경 문제를 고려해 친환경 에너지 집적을 위한 소재 개발에 연구소 구성원이 역량을 기울이고 있다”며 “전기를 효율적으로 수확하는 친환경 나노 발전 장치를 개발하면 일상생활에서 버려지는 미활용 에너지를 활용할 수 있다. 에너지 위기 극복에 도움 될 것”이라며 지속적인 연구 의지를 밝혔다.
