경희대 학생·교수 연구팀, '정전기 모아 에너지 만드는 기술' 개발

기계공학과 최동휘 교수, 석사1기 장순민 씨

'투명하고 쉽게 휘어지는 에너지 수확장치'·'자가 발전 센서' 추가 연구





서로 다른 물체의 마찰로 생기는 정전기. 최근 버려지는 에너지를 수집해 전기로 바꾸는 '에너지 수확기술(energy harvesting)'이 떠오르면서 정전기 연구도 활발히 진행 중이다. 정전기는 전류가 흐르지 않아 치명적인 피해를 주지 않지만, 전압은 수만 볼트에 달한다.

또 정전기는 보통 고체끼리 접촉할 때 발생하는 것으로 생각하기 쉬운데, 학계에서는 액체와 고체가 접촉할 때도 정전기가 발생한다는 사실에 주목하고 있다. 다만, 고체 간 접촉으로 발생하는 정전기보다 그 양이 매우 적다는 한계가 있었다.

경희대 기계공학과 최동휘 교수와 이 학과 석사1기 장순민 학생(제1저자) 연구팀은 이런 한계를 효과적으로 해결하는 방법을 제시해 주목을 받고 있다. 고분자 재료 표면에 전하를 안정적으로 삽입하는 기술을 개발해 기존보다 높은 양의 에너지를 얻을 수 있게 했다.

이들의 연구 결과는 물리 화학 분야 권이있는 학술지 '나노에너지'(Nano Energy) 온라인 최신판에 게재됐다.

특히 연구 주제는 제1저자인 장순민 씨가 학부시절부터 대학원 진학 이후까지 진행해 더욱 의미가 크다. 연구에는 한국기술대학교 박성제 교수, 라문우 교수 연구팀이 공동 참여했다.

물방울이 에너지 수확소자에 닿아 움직이면 정전기가 발생해 에너지가 모인다. 기존 수확소자 표면에 작은 돌기를 만들어 에너지를 높일 수 있다는 연구 결과는 많았지만, 돌기를 만드는 것이 어렵고 투명하지 않다는 게 단점이었다. 액체와 고체의 접촉은 투명한 것에 응용하기 좋은 애플리케이션인데 뿌옇게 되면 그 장점을 살리기 힘들다.

이를 극복하기 위해 최 교수 연구팀은 표면 구조의 변화, 즉 돌기를 형성하기보다 임의로 전하를 삽입하면 에너지가 높아질 것이라는 가설을 세우고 실험을 진행했다. 그 결과 지금까지 한번도 보고된 바 없을 정도로 굉장히 높은 에너지가 나왔다. 이를 통해 투명하고 쉽게 휘어질 수 있는 에너지 수확장치나 자가 발전 센서를 개발할 수 있을 것으로 보인다.

이번 연구의 가장 큰 의미는 에너지양이 많아졌다는 것. 최 교수 연구팀이 바닷물과 비슷한 농도의 용액을 만들어 실험한 결과, LED 디스플레이를 켤 수 있을 정도로 에너지가 모였고, 간단한 전자기기 구동도 가능했다. 이에 따라 우리 주위의 물을 에너지 수확장치에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

센서로도 사용할 수 있다. 농도별로 나오는 전기 에너지가 다르다 보니 역으로 생각해 용액의 용도를 검출할 수 있는 센서로 활용 가능하다는 것. 투명한 성질을 이용해 태양광 발전 패널 위에 붙여 비가 내릴 때 에너지를 수확할 수 있다. 투명하고 휘어지는 소자로 활용할 수도 있다.

최 교수는 "전하를 삽입한다는 것 자체가 새로운 것은 아니고, 만드는 공정도 어렵지 않다. 기존 널리 쓰이고 산업체에서 활용하는 공정"이라며 "그렇기에 실용성이 높다. 일반 고분자 필름과 같은 소재가 있을 때 기존에 널리 알려진 기술을 이용해 높은 에너지를 얻을 수 있으니 활용할 수 있는 방안도 많아지지 않을까싶다"고 말했다. 연구팀은 응용 분야 발굴과 관련 후속 연구도 진행 중이다.

제1저자로 참여한 장순민 씨는 "교수님께서 수업 때 주변에서 구할 수 있는 재료, 기존에 있는 방법으로 고기능성 제품을 만드는 방법을 말씀해주셨던 것이 연구를 결심하게 된 계기이기도 하다"며 "이번 연구도 기존 재료, 기존 방법에서 크게 바꾸지 않고 발상의 전환을 통해 전혀 다른 결과를 얻어낸 것"이라고 설명했다.

최 교수는 "에너지 수확장치 개발은 하나의 응용 분야다. 산업체에서는 활용되고 있지만 학문적으로는 연구가 활발하게 이뤄지고 있지 않은 분야, 현장에서 쓰는 기술을 연구에 도입하여 재료의 특성을 좋게 한다든가 이를 활용해 값싸게 대량으로 만들어내는 방식을 연구해 나가고자 한다"고 포부를 밝혔다.