나노기술 및 정책 정보

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중국과학원 선전(深圳, 심천) 첨단기술 연구원 산하 "바이오 의학 및 건강 공정 연구소" 소속 "마이크로 나노 시스템 및 바이오닉 의학 연구센터"의 왕하오(王昊, 왕호) 연구원 연구팀은 마찰 나노 발전기(Friction-Nano Generators)에 대해 프로그래밍(programming)이 가능한 기술을 제안하여 마찰 인터페이스 소재에 의존하지 않는 개선을 실현했으며, 단순하게 설정된 운영 절차를 통해 디바이스 내부 전하의 순환 축적을 통해 초고(超高)전압 출력을 실현하는데 성공하였음.

마찰 나노 발전기는 구조가 간단하고, 제조 원가가 저렴하고, 적용성이 넓기 때문에 풍력 에너지, 물 에너지와 인체 운동 등 기계 에너지를 전기 에너지로 변환시킬 수 있어 에너지 수확, 사물 인터넷 설비의 자체 에너지 공급 장치와 각종 유형의 자체 에너지 공급 센서에 폭넓게 응용될 수 있으며, 미래 사물 인터넷 분야를 달성하기 위한 에너지 솔루션 중의 하나로 평가됨.

전통적인 마찰 나노 발전기는 프레싱(pressing)이나 슬라이딩(sliding) 방식을 통해 두 개의 서로 다른 음전기 소재(electronegative material)를 마찰시켜 생성된 정전하로 뒤의 전극 판과 외부 연결 부하에 전류를 공급함.

마찰 나노 발전기가 발생시키는 에너지를 증대시키기 위해 일반적인 연구 방향은 소재의 개선을 통해 표면의 정전하 밀도를 높이거나 구조 개선을 통해 에너지 수확의 효율성을 향상시키는 것이지만 연구팀은 마찰 나노 발전기의 에너지 출력 증가가 가능한 제3의 연구 방향을 제시하고 운영 절차를 개선하는데 중점을 두었음.

전통적인 마찰 나노 발전기의 에너지 수확 과정은 전하 생성, 전하 전달, 에너지 생성의 3가지 기본 물리적 과정과 관련 되어 메타 오퍼레이션(meta-operation)이라고 함. 전통적인 마찰 나노 발전기 작동(프레싱(pressing)이나 슬라이딩(sliding))은 실제적으로 이 3가지 메타 작업이 조합된 루프와 함께 특정 타이밍에 따라 수행되는 것으로, 가장 간단한 절차(즉, 3개 메타 작업의 타이밍 및 조합)로 간주될 수 있음.

3개 메타 오퍼레이션(meta-operation)은 더욱 복잡한 시간, 순서와 조합에 대한 순환 조작으로서 에너지를 생성시키는 동시에 전하가 시스템 내부에서의 순환 누적을 실현하고, 출력한 에너지가 프로세스 운행에 따라 지속적으로 증가하여 디바이스 내부의 유전체를 관통할 때 최대값에 도달할 수 있음.

연구팀이 제시한 프로그래밍을 통한 마찰 나노 발전기의 에너지 출력 솔루션은 다음과 같은 세 가지 강점을 보유하고 있음. 하나는 프로그래밍이 가능한 마찰 나노 발전기의 최대 출력은 마찰 인터페이스 소재의 영향을 받지 않음. 다음은 최대 전압은 전극 판 사이의 유전체 관통 전압에 의해서만 제한되므로 디바이스의 최적화는 주로 유전체 관통 전압을 향상시키는 데 있음. 셋째로는 이론적으로 무수한 종류의 가능한 프로세스가 존재하기 때문에 각종 기계 적 작동 방식에 맞게 조정할 수 있음.

연구팀의 이번 연구는 세 가지 가능한 프로세스를 보여주고 있으며, 서로 다른 기계구조, 서로 다른 유형의 물리적 조작(예를 들면, 단일 방향 운동, 왕복 운동 또는 회전 운동)을 통해 1.5kV-1.8kV의 고전압 출력을 쉽게 달성할 수 있는 것으로 나타났기 때문에 서로 다른 응용 환경과 물리적 조작 방식에 따라 설계한 최적화 프로세스는 마찰 나노 발전기의 또 다른 대체 연구 방향이 되고 있음.

본 연구 성과는 ‘Nano Energy’ ("Programmed-triboelectric nanogenerators—A multi-switch regulation methodology for energy manipulation") 지에 게재됨.