포스텍(총장 김무환)은 김동성 기계공학과 교수, 통합과정 유동현 씨 연구팀, 심재윤 전자전기공학과 교수, 통합과정 이설민 씨 연구팀이 정전기를 전기에너지로 전환해주는 접촉대전 나노발전기 에너지 총량을 증가시킬 수 있는 새로운 제작방법을 제시하고, 이를 실제로 사용할 수 있는 전기에너지로 만들어주는 변환회로를 개발했다고 30일 밝혔다.
서로 다른 물질이 접촉했다가 분리될 때 발생하는 전기 에너지, 즉 정전기를 수확하는 장치를 접촉대전 나노발전기라고 한다. 지금까지 접촉대전 나노발전기에 대한 연구는 지속적으로 이뤄져 왔지만, 정전기를 수확해 발생시키는 에너지의 실질적인 양이 소량이고 마찰 순간 에너지가 발생하는 점 때문에 상용화에 어려움이 있었다.
연구팀은 접촉대전 나노발전기 에너지 총생산량을 늘리기 위한 전략으로 마찰력을 집중시킬 수 있도록 나노임프린팅 공정을 사용해 수백 나노미터(㎚) 수준 표면구조를 제작했다. 또 동일한 마찰에서 정전기가 더 많이 발생할 수 있도록 폴링 공정을 사용해 두 물질 간 전자 이동이 쉽게 일어나도록 했다.
연구팀은 순간적이고 불안정한 전기에너지를 안정된 에너지로 변환해주는 변환회로 제작에 성공했다. 실험결과 2.5마이크로와트(㎼) 에너지가 입력됐을 때 70% 이상 변환 효율을 기록했다. 연구팀이 제작한 변환회로를 사용하면 외부 전력의 공급 없이도 1.8V의 안정적인 전압을 확보할 수 있음을 처음으로 확인했다. 온·습도계 센서나 계산기 등을 구동할 수 있는 정도다.
이번 연구는 열과 압력을 가하는 나노임프린팅 공정과 전기장을 가하는 폴링 공정을 동시에 적용해 접촉대전 나노발전기를 제작하는 첫 사례다.
이번에 개발된 접촉대전 나노발전기 기술과 변환회로를 사용하면 정전기를 모아 생산하는 전기에너지의 양을 늘리고, 안정적인 에너지로 변환할 수 있다. 외부 전원 없이 센서를 구동 시켜야 하는 자가발전 시스템 개발에 적용할 수 있을 것으로 기대된다. 이번 연구에는 황운봉 포스텍 교수 연구팀과 최동휘 경희대 교수 연구팀도 참여했다.
포항=정재훈기자 jhoon@etnews.com
