나노기술 및 정책 정보

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한국기술교육대학교(총장 이성기)가 한국생산기술연구원, 성균관대와 함께 마찰전기의 출력을 극대화할 수 있는 원천기술 개발에 성공함.

정전기의 원리를 활용하면 외부 전원 없이 LED 전구에 불을 밝힐 수 있음. 이를 위해 서로 다른 두 물질을 마찰시킬 때 발생하는 운동에너지를 전기에너지로 변환해주는 ‘마찰대전 나노발전기(TENG)’ 에너지 변환 장치가 필요함.

에너지 하베스팅(Energy Harvesting)에 속하는 기술로, 열이나 압력을 전기화하는 다른 방식보다 전압 출력이 수백 배 높아 2012년 학계에 처음 공개된 이후 후속 연구가 활발히 이뤄지고 있음.

한국기술교육대 박진형 교수와, 생기원 조한철 박사, 성균관대 김상우 교수·김지혜 박사 공동연구팀은 마찰대전 나노발전기의 전극 구조를 마이크로톱니 형태로 만들고, 전극의 방전 특성을 이용해 마찰전기의 출력을 극대화할 수 있도록 했음.

개발된 기술은 기존 연구에서 수행하지 않았던 ‘전극 구조 변화’에 초점을 맞춘 것으로 세계 최고 수준의 5,000V 이상 고전압을 구현해냄. 이는 2,000V 수준에 머물렀던 유사 연구들보다 2~3배 이상 뛰어난 출력임.

공동연구팀은 알루미늄판을 기계 가공할 때 생기는 부산물인 ‘알루미늄 울’의 재활용을 고민하다가 아이디어를 얻음.

알루미늄 울의 가장자리는 마이크로미터 크기의 톱날 형태가 연속된 구조로 형성됐는데, 그 부근에 전극이 접근하면 스파크 방전 효과가 발생하게 됨. 이를 유한요소 해석을 통해 확인한 결과, 전극 형태가 뾰족할수록 스파크 방전이 쉽게 이뤄지며 출력 또한 극대화된다는 것을 검증해냄.

공동연구팀은 이를 토대로 어떠한 형태의 마찰대전 나노발전기에서도 출력을 극대화할 수 있는 마이크로니들 형태의 전극을 만들고 스파크 방전이 지속적으로 일어나게 하는 증폭 장치를 독자적으로 설계·제작함.

제작된 증폭장치는 증폭 전보다 약 25배 이상의 전압 출력과 120배 이상의 전류 상승을 유도하는 효과가 있는 것으로 나타남. 5,000V 수준의 고전압 상태를 가시화해 보여주는 크룩스관의 형광체 발광 실험과 진공상태에서 플라즈마가 지속적으로 생성되는 현상을 통해 성공적으로 검증해냄.

이번 성과가 향후 상용화까지 이어진다면 어두운 길의 전구를 밝히는 것부터 고전압을 활용해 공기 중 바이러스, 세균을 플라즈마로 제거하는 등 실생활에서 국민 편의 제고에 기여할 수 있을 것으로 기대가 모아지고 있음.

한편, 이번 연구는 한국연구재단의 신진, 기초연구 및 나노미래소재원천기술개발 사업 지원을 받아 수행됨.