DGIST, 친환경 소재의 고효율 나노발전기 개발

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대구경북과학기술원(DGIST·총장 국양)은 김회준 로봇공학전공 교수팀이 무연납 다강성 물질을 탑재한 압전-마찰전기 하이브리드 나노발전기를 개발했다고 16일 밝혔다. 기존 대비 더 높은 출력 성능을 가져 웨어러블 의료기기 등 다양한 분야에서 활용 가능할 전망이다.

압전-마찰전기 하이브리드 나노발전기를 개발한 연구팀. 김회준 DGIST로봇공학전공 교수(두번째 줄 오른쪽)와 연구진.
<압전-마찰전기 하이브리드 나노발전기를 개발한 연구팀. 김회준 DGIST로봇공학전공 교수(두번째 줄 오른쪽)와 연구진.>

최근 친환경 재생 가능 에너지원으로 표면 간 접촉으로 발생하는 마찰전기 대전현상과 정전기적 유도현상을 바탕으로 전기적 에너지를 생성하는 '마찰전기 나노발전기(TENG)'와 압전재료가 기계적 에너지를 공급받았을 때 이를 전기적 에너지로 변환하는 '압전 나노발전기(PENG)'가 주목받고 있다. 하지만 낮은 전력 출력이 한계점으로 지적돼왔다.

김 교수팀은 무연납·무독성 고분자 세라믹 복합재료인 티탄산 비스무스와 실리콘 오일(PDMS)을 혼합, 고효율 하이브리드 압전-마찰전기 나노발전기를 개발했다.

하이브리드 압전-마찰전기 나노발전기
<하이브리드 압전-마찰전기 나노발전기>

교수팀이 개발한 나노발전기는 기존 마찰전기 나노발전기와 압전 나노발전기를 합친 형식이다. 마찰에서 일어나는 에너지와 기계적 운동에서 발생하는 에너지를 모두 전기에너지로 바꾼다. 이를 통해 기존 압전 나노발전기에 비해 약 20배, 마찰전기 나노발전기에 비해 약 3배에 달하는 출력 증가를 달성했다.

교수팀은 2개 나노발전기 유닛을 서로 연결하고 이를 3D 프린터로 만든 구조에 고정시킨 새로운 구조도 만들었다. 나노발전기 사이에 작은 공을 넣어 전류 전달이 가능하게 하고 이를 통해 모터가 움직이며 발생하는 기계적 에너지를 전기에너지로 변환, 축전기에 저장되도록 했다. 저장된 전기에너지를 LED 조명이나 계산기, 손목시계 등 소형 전자기기를 작동시키기에 충분할 정도의 성능을 갖고 있어 다양한 응용이 기대된다.

김회준 교수는 “로봇에 적용되는 촉각센서를 연구하면서 압전-마찰전기 나노발전기에 관심을 갖게 됐다”며 “새로운 나노 물질을 합성하기 위한 연구를 계속하고 나노발전기를 개발해 자체 구동 센서 개발을 목표로 연구를 계속할 것”이라고 했다.

이번 연구는 최근 국제 학술지 '나노 에너지'에 온라인 게재됐다.

대구=정재훈기자 jhoon@etnews.com