미래창조과학부(장관 최양희)는 국내 연구진이 천연 바이오 재료인 실크를 마찰시켜 발생시킨 정전기로 마찰 전기 발전기를 개발하는데 성공하였다고 밝혔다. 

오일권 교수팀(KAIST)은 미래창조과학부가 지원하는 리더연구자지원사업(창의연구)을 통해 연구를 수행하였으며, 연구결과는 에너지 분야의 권위있는 학술지 어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials) 1월 18일자에 게재되었다. 

논문명과 저자 정보는 다음과 같다.

 - 논문명 : Silk Nanofiber-Networked Bio-Triboelectric Generator: Silk Bio-TEG

 - 저자 정보 : 오일권(교신저자, KAIST 교수), 권오형(공동저자, 금오공과대학교 교수), 박정영(공동저자, KAIST 교수), 김상우(공동저자, 성균관대학교 교수), 김현준(제1저자, KAIST 박사과정) 

논문의 주요 내용은 다음과 같다. 

기계적 에너지를 이용한 에너지 하베스팅^*은 자가 발전 시스템으로 활용하기 위한 기술적 잠재력이 무궁무진하여 그동안 많이 연구되어왔다. 최근에는 마찰을 이용한 에너지 하베스팅이 기존의 압전형 나노발전기보다 제작의 편리성, 고출력, 비용효과적인 특성으로 인해 여러 연구자들로부터 새롭게 주목을 받고 있다. 

     

하지만 마찰형 나노발전기를 실생활에서 사용하거나 현재 각광받고 있는 인체 친화형 전자기기로 사용하기 위해서는 표면적을 넓히기 위한 복잡한 공정 과정, 고가 장비 사용, 인체 유해물질 사용 등은 개선되어야 할 부분으로 남겨져 있다.

   

천연 재료인 실크와 플라스틱 계열 폴리이미드를 마찰시키니 정전기가 발생하는 것을 발견하였다.

표면 전하 측정을 통해 두 재료의 일함수^*를 구하여, 실크는 폴리이미드보다 상대적으로 전자를 잘 잃고, 반대로 폴리이미드는 전자를 잘 얻는 경향을 확인하였다. 

        

표면적이 넓을수록 대전되는 면적이 넓어져 마찰 전기 발전량이 더 많다는 것을 실험적으로 확인하였다. 또한 실제 환경에서 가해지는 외력은 크기와 형태가 무궁무진하므로, 다양한 펄스 신호를 가진 신호로 사용하여 여러 외부 입력에 따른 발전 성능을 확인하였다. 

본 연구를 통해 개발한 마찰 전기 발전기의 순간 출력은 개방회로전압이 약 17 V, 4.3 mW/m²이며, 정류과정을 거쳐 5분 만에 커패시터에 2 V 전압을 축적할 수 있다.  

 이는 일상생활에서 활용되지 못하고 버려졌던 정전기를 이용한 에너지 하베스팅 기술로서 천연재료인 실크를 이용하여 전기발전기를 개발했다는 점에서 연구가치가 있다.

오일권 교수는 “누에고치가 만들어 주는 천연 실크를 사용하여 개발한 마찰 전기 발전기는 생체 친화형 재료와 친환경 기술로 간단한 공정과정만으로 널리 활용될 수 있어서, 향후 에너지, 환경 문제의 해결에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.”고 연구의 의의를 밝혔다. 

 1. 연구배경

화석연료의 고갈로 인한 에너지 가격 상승과 화석연료의 연소 시 발생하는 온실가스의 배출로 인한 환경문제가 대두됨에 따라 신재생에너지 개발과 에너지 효율 향상에 대한 관심이 크게 높아지고 있다. 특히, 압전형 나노발전기와 같이 기계적 에너지를 이용한 에너지 하베스팅은 자가 발전 시스템으로 활용하기 위한 기술적 잠재력이 무궁무진하여 그동안 많이 연구되어왔다. 최근에는 마찰을 이용한 에너지 하베스팅이 기존의 압전형 나노발전기보다 제작의 편리성, 고출력, 비용효과적인 특성으로 인해 여러 연구자들로부터 새롭게 주목을 받고 있다. 마찰형 나노발전기는 접촉 전위와 정전유도에 의해 전기에너지가 발생하는 원리로써, 전기음성도가 다른 두 물질이 접촉/분리될 때 전하 이동이 발생한다. 발전량을 높이기 위해 대전되는 표면적을 넓히거나 메탈 나노입자 도포, 유기 물질 에칭 등의 다양한 방법으로 연구되고 있다. 하지만 마찰형 나노발전기를 실생활에서 사용하거나 현재 각광받고 있는 인체 친화형 전자기기로 사용하기 위해서는 표면적을 넓히기 위한 복잡한 공정 과정, 고가 장비 사용, 인체 유해물질 사용 등은 개선되어야 할 부분으로 남겨져 있다.

 

환경/인체 친화형 물질인 실크와 플라스틱 계열의 폴리이미드를 마찰재료로 사용하였고, 두 재료의 표면 전하 특성을 분석하여 발전 메커니즘을 검증하였다. 마찰 전기 발전기의 전기 에너지 발생 메커니즘은 마찰전기 효과와 정전기 유도현상으로 설명할 수 있다. 두 마찰층이 마찰되면 전기음성도 특징에 따라서, 상대적으로 전기음성도가 높은 물질이 전자를 얻고, 음의 전하를 띄게 된다. 폴리이미드의 전기음성도가 실크보다 높기 때문에, 두 물질이 마찰하면 폴리이미드 층이 음의 전하를 띄게 된다. 두 마찰 재료를 마찰하였다가 떨어뜨리면, 두 재료간의 전기적 전위 차이로 인해 외부 회로를 통하여 전기적으로 평형 상태가 될 때까지 전자가 이동하게 된다. 

실제 환경에서 가해지는 외력은 크기와 형태가 무궁무진하므로, 다양한 펄스 신호를 가진 신호로 사용하여, 여러 외부 입력에 따른 발전성능을 확인하였다. 입력신호는 펄스 신호의 변수인 크기, 주파수, 듀티비(duty-ratio)를 조절하였다. 기본적으로 아치형으로 제작한 발전기를 펄스 신호 입력 하에 가진기로 눌러서 부착시켰다가 탈착시킴으로써 발전기의 출력을 테스트하였다. 

표면적이 넓으면 대전되는 면적이 넓어져 발전성능을 향상시킬 수 있으므로, 기존의 방법 대비 간단하고, 저렴한 전기방사 기법을 이용하여 실크를 나노파이버 형태로 제작하였다. 캐스팅한 실크 필름보다 표면적이 넓은 전기 방사 실크로 만든 발전기의 성능이 개방회로전압 기준 약 1.5배 향상된 것을 확인하였다. 

실크 나노파이버 기반 마찰 전기 발전기의 순간 출력은 개방회로전압이 약 17 V, 4.3 mW/m²이며, 정류과정을 거쳐 5분 만에 커패시터에 2 V 전압을 축적할 수 있다. 또한, 실크 자체의 우수한 기계적, 물리적, 화학적 특성으로 인해, 25,000번 이상 반복 테스트에도 발전 성능을 유지하여 마찰 발전기의 안정성과 내구성을 확인하였다.

 

본 연구를 통해서 제시한 실크 기반 마찰 전기 발전기는 천연 바이오 재료인 실크와 간단하고 저비용 기법인 전기방사를 사용하므로, 인체 친화적이고 비용이 저렴하여 향후 자가발전형 에너지 하베스팅이나 인체친화형 전자기기 등 활용가치가 높을 것으로 기대된다.

정전기로 인해 실크에 먼지나 작은 종이조각이 달라붙는 현상에 착안하여, 마찰 전기 발전기로 연구하게 되었다.

마찰부와 집전체간의 조립이 발전량 크기에 큰 영향을 미칠 것으로 예상되어, 두 파트를 견고하게 조립하는 과정도 중요하게 생각하였다.

정전기 특성 상 순간적으로 전압이 발생한다. 처음에는 이 신호를 측정할 수 있는 알맞은 장비와 환경을 구축하느라 시간을 많이 들였다. 관련분야 전문가 및 선행 연구자들로부터 얻은 자문으로 이를 해결할 수 있었다.

기존에 진행되어왔던 마찰 전기 발전기와 비교하여, 친환경/생체 친화형 재료와 간단한 공정과정만으로도 이 마찰 전기 발전기를 개발하였다. 

서로 다른 두 물질이 마찰하여 전기가 발생하는 것이므로, 다른 조합의 물질을 선택하게 되면 발전기의 성능을 예측하기가 어렵다. 그래서 물질의 표면적 특성을 객관적인 척도로 분석/비교하는 연구를 진행하여, 마찰 전기 발전기의 더욱 명확한 메커니즘과 예상 발전량을 분석하는 연구를 하고자 합니다. 또한 이 마찰 전기 발전기를 디바이스화하여 일상생활에서도 사용할 수 있도록 하고 싶습니다.

  ○ 세계적으로 저명한 출판사인 독일의 Wile-VCH사에서 발행하는 에너지 분야 학술지로써, IF가 16.146인 국제학술지

  ○ 주변 환경에서 버려지는 에너지를 전기에너지로 변환하여 이용하는 것

  ○ 고체 표면에서 한 개의 전자를 고체 밖으로 빼내는 데 필요한 최소 에너지

  ○ 분자에서 원자가 공유 전자쌍을 끌어당기는 상대적 힘의 크기

  ○ 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.

                 

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

그림 3. 주사 전자 현미경 (Scanning electron microscope) 이미지: a) 전기방사로 만든 나노 파이버 형태의 실크; 표면적이 넓음, b) 캐스팅하여 만든 실크 필름; 표면적이 작음. 나노 파이버 형태의 표면적이 캐스팅하여 만든 기본 필름보다 표면적이 더 넓어서, 마찰 후 대전되는 면적이 더 넓으므로 발전량을 향상 시킬 수 있다.