한국기술교육대학교에 따르면 한국생산기술연구원, 성균관대학교와 함께 마찰대전 나노발전기의 전극 구조를 마이크로톱니(Micro-serrated) 형태로 만들고 그 전극의 방전 특성을 이용해 마찰전기의 출력을 극대화할 수 있는 원천기술을 개발했다.
겨울철 옷을 입거나 물건을 만질 때 생기는 정전기의 원리를 활용하면, 외부 전원 없이 LED 전구에 불을 밝힐 수 있다.
이를 위해선 '마찰대전 나노 발전기(Triboelectric Nanogenerator, TENG)'라고 불리는 별도의 에너지 변환 장치가 필요하다.
이 장치는 서로 다른 두 물질을 마찰시킬 때 접촉 표면에 발생하는 운동에너지를 전기에너지로 변환해주는 역할을 한다.
이번에 개발된 기술은 기존 연구에서 수행하지 않았던 '전극 구조 변화’에 초점을 맞춰 세계 최고 수준의 5000V 이상 고전압을 구현했다.
이 같은 기술은 2000V 수준에 머물렀던 유사 연구들보다 2~3배 이상 뛰어난 출력이다.
생기원 정밀기계공정제어연구그룹 조한철 박사와 기술교육대학교 박진형 교수, 성균관대학교 김상우 교수, 김지혜 박사 공동 연구팀은 알루미늄판을 기계 가공할 때 생기는 부산물인 '알루미늄 울(wool)'의 재활용을 고민하다가 아이디어를 얻었다.
알루미늄 울의 가장자리는 마이크로미터(㎛) 크기의 톱날 형태가 연속된 구조로 되어 있어, 그 부근에 전극이 접근하면 마치 피뢰침이 번개를 맞는 것처럼 스파크 방전 효과가 발생하게 된다.
연구팀은 이를 토대로 어떠한 형태의 마찰대전 나노발전기에서도 출력을 극대화할 수 있는 마이크로니들 형태의 전극을 만들고 스파크 방전이 지속해서 일어나게 하는 증폭 장치를 독자적으로 설계, 제작했다.
연구팀에 따르면 제작된 증폭 장치는 증폭 전보다 약 25배 이상의 전압 출력과 120배 이상의 전류 상승을 유도하는 효과가 있는 것으로 나타났다.
연구팀은 "마찰대전 나노 발전기는 고전압 저전류라는 특성상 감전으로부터 안전하고 자가충전 할 수 있어 반영구적으로 활용 가능한 미래기술"이라며 "향후 상용화되면 지나가는 사람들의 운동에너지로 어두운 골목길을 밝히는 것부터 고전압을 활용해 공기 중 바이러스·세균을 플라스마로 제거하는 것까지 다양한 실생활 분야에서 활용이 가능하다"고 설명했다.
한국연구재단의 '신진, 기초연구 및 나노미래소재원천기술개발 사업' 지원을 받아 수행한 이번 연구의 논문은 2020년 11월 에너지 분야 상위 3%에 해당하는 유명 학술지 'Advanced Energy Materials(Impact Factor : 25.245)'에 게재되기도 했다.
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