실크 마찰을 이용한 전기발전기 개발

천연 재료를 이용한 자가발전, 친환경기술 활용 기대

미래창조과학부(장관 최양희)는 국내 연구진이 천연 바이오 재료인 실크를 마찰시켜 발생시킨 정전기로 마찰 전기발전기를 개발하는데 성공했다고 지난 2월 5일 밝혔다.  KAIST 오일권 교수팀은 미래창조과학부가 지원하는 리더연구자지원사업(창의연구)을 통해 연구를 수행했으며, 연구결과는 어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials) 1월 18일자에 게재됐다.


        KAIST오일권 교수

기계적 에너지를 이용한 에너지 하베스팅은 자가발전시스템으로 활용하기 위한 기술적 잠재력이 무궁무진해서 그동안 많이 연구되어왔다.  최근에는 마찰을 이용한 에너지 하베스팅이 기존의 압전형 나노발전기보다 제작의 편리성, 고출력, 비용 효율성 등으로 인해 여러 연구자들로부터 새롭게 주목을 받고 있다.  하지만, 마찰형 나노 발전기를 실생활에서 사용하거나, 현재 각광받고 있는 인체친화형 전자기기로 사용하기 위해서는 표면적을 넓히기 위한 복잡한 공정과정과 고가 장비사용, 인체 유해물질 사용 등은 개선되어야 할 부분이다.

실크에 일어나는 정전기 현상에 착안
연구진은 정전기로 인해 실크에 먼지나 종이조각이 달라붙는 현상에 착안하여, 마찰전기 발전기를 연구하게 됐다.  천연 재료인 실크와 플라스틱 계열 폴리이미드를 마찰시켜 정전기가 발생하는 것을 발견했다. 또한, 표면전하 측정을 통해 두 재료의 일함수를 구하여, 실크는 폴리이미드보다 상대적으로 전자를 잘 잃고, 폴리이미드는 전자를 잘 얻는 경향을 확인했다.  표면적이 넓을수록 대전되는 면적이 넓어져 마찰전기 발전량이 더 많다는 것을 실험적으로 확인하고,  실제 환경에서 가해지는 외력은 크기와 형태가 무궁무진하므로 다양한 펄스신호를 가진 신호로 사용하여 여러 외부입력에 따른 발전성능을 확인했다.  기존에 진행되어왔던 마찰전기발전기와 비교하여, 친환경/생체친화형 재료와 간단한 공정과정만으로도 이 마찰 전기발전기를 개발했다.

인체 친화적, 에너지 하베스팅 등 활용가치
이번 연구를 통해 개발한 마찰 전기발전기의 순간출력은 개방회로전압이 약 17V, 4.3mW/m2이며, 정류과정을 거쳐 5분 만에 커패시터에 2V전압을 축적할 수 있다.  이는 일상생활에서 활용되지 못하고 버려졌던 정전기를 이용한 에너지 하베스팅 기술로 천연재료인 실크를 이용하여 전기발전기를 개발했다는 점에서 연구가치가 있다.  이번 연구를 통해서 제시한 실크기반 마찰 전기발전기는 천연바이오 재료인 실크와 간단하고 저비용기법인 전기방사를 사용하므로, 인체 친화적이고 비용이 저렴하여 향후, 자가 발전형 에너지 하베스팅이나 인체친화형 전자기기 등 활용가치가 높을 것으로 기대된다.
오일권 교수는 “누에고치가 만들어 주는 천연실크를 사용하여 개발한 마찰 전기발전기는 생체친화형 재료와 친환경기술로 간단한 공정과정만으로 널리 활용될 수 있어서, 향후 에너지, 환경문제의 해결에 기여할 수 있을 것으로 기대된다”고 의의를 밝혔다.


[그림 1] 천연 바이오 재료인 실크와 간단하고 저비용 기법인 전기방사를 사용하여 만든 마찰 전기발전기


[그림 2] 마찰 전기발전기의 메커니즘
i)위(PI: 폴리이미드)/아래(Silk: 실크) 면이 접촉 후에 마찰 전기효과에 의해 각각 (-)와 (+)로 대전되고, ii)분리될 때와, iv)접촉할 때에 정전기 유도현상에 의해 전자 이동이 발생한다.

용어설명
1. 어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)
세계적으로 저명한 출판사인 독일의 Wile-VCH사에서 발행하는 에너지 분야 학술지로써, IF가 16.146인 국제학술지
2. 에너지 하베스팅(Energy Harvesting)
주변 환경에서 버려지는 에너지를 전기에너지로 변환하여 이용하는 것
3. 일 함수(Work function)
고체 표면에서 한 개의 전자를 고체 밖으로 빼내는 데 필요한 최소 에너지
4. 전기음성도(Electronegativity)
분자에서 원자가 공유 전자쌍을 끌어당기는 상대적 힘의 크기
5. 정전기 유도현상(Electrostatic induction)
어떤 도체에 대전체를 가까이 할 때, 대전체에 가까운 쪽에는 대전체가 띤 전하와 다른 종류의 전하가 유도되고, 먼 쪽에는 대전체가 띤 전하와 같은 종류의 전하가 유도되는 현상을 말한다.