유전체 사이에 금속층을 삽입하여 바람 기반 고성능 마찰 전기 소자 개발

드론 및 전기자동차 보조전원장치 활용 기대

지스트(광주과학기술원, 총장 김기선) 신소재공학부 정건영 교수 연구팀이 친환경적 차세대 신재생 에너지원인 바람을 이용한 고성능의 마찰 전기 소자를 개발했다고 13일 밝혔다.

연속적으로 에너지를 공급할 수 있어 드론 및 전기 자동차의 보조 전원 장치로 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 본 연구에서 개발된 마찰 전기 소자는 바람의 운동에너지를 이용해 전기를 생산하므로 공해가 없고 유지비가 적게 드는 장점이 있으며, 필요 에너지를 지속적으로 공급해 자가 발전 패러다임으로의 전환이 가능하다.  

왼쪽부터 신요섭 석사과정생, 조성준 박사과정생, 정건영 교수
왼쪽부터 신요섭 석사과정생, 조성준 박사과정생, 정건영 교수

연구팀은 유전체* 필름 사이에 하부 전극에 연결된 금속층을 삽입하여 대전된 유전체에 의한 정전기유도**를 향상시키고, 상부 전극을 위-아래 듀얼 모드로 구성하여 한 번의 진동 사이클 동안 두 번의 마찰이 가능한 구조를 갖는 바람 기반 마찰 전기 소자를 제작했다.

*유전체: 전기가 잘 통하지 않는 물질을 말함. 도체와 달리 유전체는 전하가 통과하지 않지만 양전하에 대해서는 유전체의 음전하가, 음전하에 대해서는 유전체의 양전하가 늘어서게 되어 극성을 지니게 됨.

유전체 사이에 금속층을 삽입하여 위, 아래 접촉이 가능한 바람 기반 마찰 전기 소자: 유전체인 PTFE 사이에 bottom 전극에 연결된 금속층(Al)을 삽입하고 top 전극을 위, 아래 dual mode로 구성하여 한 번의 oscillation cycle 동안 2번의 마찰이 발생함을 유도한다.
유전체 사이에 금속층을 삽입하여 위, 아래 접촉이 가능한 바람 기반 마찰 전기 소자: 유전체인 PTFE 사이에 bottom 전극에 연결된 금속층(Al)을 삽입하고 top 전극을 위, 아래 dual mode로 구성하여 한 번의 oscillation cycle 동안 2번의 마찰이 발생함을 유도한다.

**정전기 유도: 양전하 또는 음전하로 대전된 물체가 도체와 가까워질 때 자유전자가 이동하여 도체 표면에 같은 양의 반대 전하가 유도되는 현상을 말함.

기존의 바람 기반 마찰 전기 소자는 전압에 비해 낮은 전류값을 갖기 때문에 상용화하기 어려웠다. 연구팀은 유전체 사이에 금속을 삽입하여 전류를 약 12~15배 증가시켜 10배 이상의 생산 전력 밀도 특성을 확인했다.(생산 전력 밀도: 3.28 mW/cm2) 

실제 제작한 소자의 전기적 성능 평가: 실제 제작한 소자를 15.1 m/s 하에 서 성능 측정 결과, Voc(~232 V), Isc(~256 μA), 생산 전력 밀도(~3.28 mW/cm2)의 특성을 보임.
실제 제작한 소자의 전기적 성능 평가: 실제 제작한 소자를 15.1 m/s 하에 서 성능 측정 결과, Voc(~232 V), Isc(~256μA), 생산 전력 밀도(~3.28 mW/cm2)의 특성을 보임.

본 연구성과를 LED 전구로 만든 ‘GIST’ 로고에 전원을 공급한 시연에 성공하며, 이를 통해 일상생활에 마찰 전기 소자를 이용한 에너지 공급 실현 가능성에 한걸음 가까워짐을 보였다.   

아울러 연구팀은 바람에 400 Hz 이상으로 펄럭이는 필름과 전극 간의 효과적인 접촉 마찰을 초고속 카메라를 통해 파악하고, 이에 따라 유전체 필름의 움직임에 따른 전기적 메커니즘을 완벽 분석했다.

응용 소자로의 적용: 실제 제작한 바람 기반 마찰 전기 소자를 LED와 연결하여 15.1 m/s 하에서 안정적으로 작동함을 확인했다.
응용 소자로의 적용: 실제 제작한 바람 기반 마찰 전기 소자를 LED와 연결하여 15.1 m/s 하에서 안정적으로 작동함을 확인했다.

정건영 교수는 “이번 연구는 현재 바람 기반 마찰 전기 소자의 낮은 출력 및 안정성 문제에 대한 극복 가능성을 제시했다”면서, “향후 고층 빌딩 외부와 같이 접근이 힘든 장소에서의 저전력 장치(센서, 디스플레이 등)뿐만 아니라 전기 자동차나 드론의 보조 전력 장치 등에도 다양하게 적용될 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

초고속 카메라를 이용한 펄럭이는 필름의 움직임 분석: 펄럭이는 필름을 초고속 카메라를 통해 캡처하여 필름의 움직임에 따른 전기적 메커니즘을 완벽 분석했다.
초고속 카메라를 이용한 펄럭이는 필름의 움직임 분석: 펄럭이는 필름을 초고속 카메라를 통해 캡처하여 필름의 움직임에 따른 전기적 메커니즘을 완벽 분석했다.

지스트 정건영 교수와 조성준 박사과정생(공동 제1저자), 신요섭 석사과정생(공동 제1저자)이 주도한 이번 연구는 한국연구재단과 지스트가 지원한 RISE 기관고유사업(GRI)의 일환으로 수행됐으며, 에너지 분야 저명 국제 학술지 ‘나노 에너지(Nano Energy)’에 7월 25일자에 게재됐다.

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