실크 마찰을 이용한 전기 발전기 개발

미래창조과학부는 국내 연구진이 천연 바이오 재료인 실크를 마찰시켜 발생시킨 정전기로 마찰 전기 발전기를 개발하는데 성공하였다고 밝혔다.

오일권 교수팀(KAIST)은 미래창조과학부가 지원하는 리더연구자지원사업(창의연구)을 통해 연구를 수행하였으며, 연구결과는 에너지 분야의 권위 있는 학술지 어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials) 1월 18일자에 게재되었다.

논문명과 저자 정보는 다음과 같다.

논문명 : Silk Nanofiber-Networked Bio-Triboelectric Generator: Silk Bio-TEG

저자 정보 : 오일권(교신저자, KAIST 교수), 권오형(공동저자, 금오공과대학교 교수), 박정영(공동저자, KAIST 교수), 김상우(공동저자, 성균관대학교 교수), 김현준(제1저자, KAIST 박사과정)

논문의 주요 내용은 다음과 같다.

1. 연구의 필요성

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

* 에너지 하베스팅 : 주변 환경에서 버려지는 에너지를 전기에너지로 변환하여 이용하는 것

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 개선되어야 할 부분으로 남겨져 있다.

2. 발견 원리

천연 재료인 실크와 플라스틱 계열 폴리이미드를 마찰시키니 정전기가 발생하는 것을 발견하였다.

표면 전하 측정을 통해 두 재료의 일함수를 구하여, 실크는 폴리이미드보다 상대적으로 전자를 잘 잃고, 반대로 폴리이미드는 전자를 잘 얻는 경향을 확인하였다.

＊ 일함수(Work function): 고체 표면에서 한 개의 전자를 고체 밖으로 빼내는 데 필요한 최소 에너지

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

3. 연구 성과

본 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 이용하여 전기발전기를 개발했다는 점에서 연구가치가 있다.


오일권 교수는 “누에고치가 만들어 주는 천연 실크를 사용하여 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.


출처 : 미래창조과학부