나뭇잎이 흔들리는 정도의 남실바람에서도 전기에너지를 수확할 수 있는 ‘회전마찰 발전 시스템’이 국내 연구진에 의해 개발됐다.

전남대학교 공과대학 고분자융합소재공학부 박종진 교수 연구팀은 1차원 소재의 마찰전기 및 정전기 유도 현상을 이용해 낮은 풍속의 바람에서 발생하는 회전 에너지를 전기에너지로 변환하는 ‘회전마찰 발전 시스템’을 개발했다고 6일 밝혔다.

이번 연구는 교육부의 기초연구지원사업, LINC(산학협력성도대학육성)사업 및 산업기술자원부의 지원을 받아 진행됐으며, 석사과정 2년차 박상기 학생이 1저자로 참여했다. 이와 함께, 석사과정 1년차 류호청·박성웅 학생이 공동저자로 참여했으며 환경에너지공학과 정호영 교수도 공동 교신저자로 참여했다. 연구결과는 국제학술지 ‘Nano Energy(IF=11.5)’ 1월27일자 온라인에 게재됐다.

* 논문원제: Rotating Triboelectric Generator Using Sliding Contact and Noncontact from 1D Fiber Friction

이번에 개발한 회전마찰 발전 시스템은 기존에 보고된 회전마찰발전기의 2차원 마찰소재를 1차원 소재로 대체해 회전저항력과 에너지 수확 효율을 최적화할 수 있도록 설계됐다. 때문에 일생에서 쉽게 발생하는, 나뭇잎이 흔들리는 남실바람 정도의 풍속 (3.5m/s) 에서도 높은 전기에너지를 수확할 수 있고, 내구성이 우수해 다양한 응용이 가능하다.

기존에 보고된 마찰전기 발전기는 높은 에너지를 수확하기 위해 2차원 형태의 면 마찰을 이용한다. 하지만, 이 방식은 회전에 대한 저항력이 크기 때문에 낮은 풍속에서 작동하기 어렵고, 마찰에 의한 마모 현상 때문에 내구성 낮아 응용에 한계가 있다.

따라서, 연구진은 2차원 마찰 물질 대신 큐티클(성장마디)이 형성돼 있는 천연섬유와 표면에 마이크로 모공(pore)을 갖는 합성섬유를 회전마찰 물질로 이용하면 섬유 자체의 유연함 때문에 회전 저항력이 낮아지고, 섬유 표면의 큐티클과 마이크로 모공의 영향으로 마찰 효율이 증가하기 때문에 낮은 풍속에서도 높은 에너지 수확 효율을 가진다고 보고했다.

이와 같은 1차원 마찰을 이용한 회전마찰 발전기는 2cm 직경의 초소형으로도 제작이 가능하고, 매우 작은 크기임에도 30V 정도의 높은 전기 에너지를 수확할 수 있다. 기존의 회전 마찰발전 시스템에 비해 낮은 풍속에서도 작동이 가능하고, 발전기의 크기를 최소화할 수 있다는 장점 때문에 캠핑이나, 하이킹 같은 레저 또는 스포츠용 보조전력으로 사용할 수 있다. 또한, 낮은 풍속이 지속적으로 발생하는 터널 내부 등 응용 가능성이 높은 것으로 평가된다.

박종진 교수는 “1차원 소재의 마찰을 이용한 회전마찰 발전시스템을 기반으로, 향후 섬유의 움직임에서 발생되는 전기에너지를 이용한 센서를 만드는 연구를 진행할 계획”이라고 말했다.