옷깃만 스쳐도 전기 잡는 소자 나왔다

2020.02.13 15:56
조성범 한국세라믹기술원 가상공학센터 선임연구원(왼쪽)과 방창현 성균관대 화학공학 및 고분자공학부 교수 공동연구팀은 머리카락을 닮은 나노 구조물을 이용해 마찰전기 에너지를 쉽게 모으는 소자를 디자인했다. 한국연구재단 제공
조성범 한국세라믹기술원 가상공학센터 선임연구원(왼쪽)과 방창현 성균관대 화학공학 및 고분자공학부 교수 공동연구팀은 머리카락을 닮은 나노 구조물을 이용해 마찰전기 에너지를 쉽게 모으는 소자를 디자인했다. 한국연구재단 제공

옷감이 스치거나 바람이 살랑이는 작은 마찰에도 전기를 수확하는 소자가 개발됐다.

 

조성범 한국세라믹기술원 가상공학센터 선임연구원과 방창현 성균관대 화학공학 및 고분자공학부 교수 공동연구팀은 머리카락을 닮은 나노 구조물을 이용해 마찰전기 에너지를 쉽게 모으는 소자를 디자인했다고 13일 밝혔다.

 

사물인터넷(IoT)과 웨어러블기기 등 저전력 전자기기에 대한 관심이 커지며 체열로 충전되는 스마트워치나 사람이 지면을 걸을 때 생기는 압력으로 충전되는 가로등 등 일상에서 버려지는 에너지를 모아 전원으로 쓰는 ‘에너지 하베스팅’ 기술도 주목받고 있다.

 

이중 물체가 접촉하며 생기는 마찰전기를 이용한 발전기도 에너지를 모으기 쉽고 효율도 높아 관심이 커지고 있다. 문제는 두 물체가 만나서 전기를 만들려면 서로 가까워지는 수직 방향으로 움직여야 효율이 높은데 일상에서 일어나는 마찰에 이런 상황이 잘 일어나지 않는다는 점이다. 오히려 손을 비비는 것과 같은 수평 방향의 움직임이 많다. 때문에 수평형과 회전형 당 다양한 마찰전기 소자가 제안됐지만 가장 영향력이 큰 수직형 움직임을 포기해야한다는 문제가 있었다.

 

모든 방향의 움직임을 수직 방향으로 바꿔주는 머리카락 모양 소자의 모습이다. 나노구조물이 수평으로 휘면 수직 방향의 힘을 줘 마찰 전기를 발생시킨다. 한국연구재단 제공
모든 방향의 움직임을 수직 방향으로 바꿔주는 머리카락 모양 소자의 모습이다. 나노구조물이 수평으로 휘면 수직 방향의 힘을 줘 마찰 전기를 발생시킨다. 한국연구재단 제공

연구팀은 모든 방향의 움직임을 수직 방향으로 바꿔주는 머리카락 모양의 나노구조물을 마찰전기 소자 위에 붙이는 방식을 제안했다. 기둥 모양의 나노 구조물이 수평 방향의 힘에 따라 휘면서 수직 방향으로 힘을 전달하게 된다. 연구팀은 시뮬레이션을 통해 구조체에 힘이 집중됐다 분산하는 고정에서 힘을 수직으로 전달하는 것을 확인했다.

 

이를 토대로 만든 소자는 옷깃이 흔들릴 정도의 작은 바람에도 마찰전기를 유도할 정도로 에너지 효율이 향상됐다. 옷감에 소자를 부착하고 측정한 결과 지폐를 팽팽하게 펼 때 드는 힘의 5분의 1인 0.2파스칼(Pa)에서도 소자가 반응하는 것으로 나타났다.

 

연구팀은 “초소형 IoT 기기와 생체삽입형 소자의 전원공급 문제를 해결할 수 있는 실마리를 제공했다”며 “이같은 기기의 상용화를 앞당기는 데 기여할 것으로 기대된다”고 말했다.

 

과학기술정보통신부와 한국연구재단의 이공분야 기초연구사업 지원을 통해 수행된 연구결과는 국제학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈’에 13일 표지논문으로 실렸다.

 

한국연구재단 제공
한국연구재단 제공

 

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