왼쪽부터 교신저자 성균관대 신소재공학부 백정민 교수, 제1저자 김도헌 석박통합과정생(사진=성균관대)
연구팀은 마찰전기를 활용, 변환 장치 없이도 전자제품을 켤 수 있는 고효율 직류 발전기(TDCG)와 배터리 없이 작동하는 사물인터넷(IoT) 기술을 개발했다.
겨울철 옷을 벗을 때 탁탁 튀는 정전기처럼 주변의 움직임을 전기에너지로 바꾸는 기술을 ‘마찰전기 발전기’라고 부른다. 이 기술은 일상 속 버려지는 에너지를 모으는 친환경 에너지 기술로 주목받아 왔다. 하지만 기존 발전기는 전압이 순간적으로 크게 요동치고 방향이 계속 바뀌는 교류(AC) 형태라 전기 생산에 문제가 있었다. 스마트폰이나 센서 같은 대부분의 전자기기에서는 직류(DC) 전기가 필요해서다.
연구팀은 마찰로 생긴 전하가 특수 세라믹 소재 내부의 전기적 분극을 유도한다는 점에 착안했다. 이어 마찰로 발생한 전하 신호에 맞춰 전자가 오직 한 방향으로만 흐르도록 정밀한 전극 구조를 설계했다. 그 결과 전압 요동을 나타내는 파고율을 대폭 낮춰 건전지처럼 고르고 안정적인 직류 전기를 생산하는 데 성공했다.
연구팀은 이런 연구 결과를 이용해 자가발전 다중센서 IoT 시스템을 시연했다. 문을 여닫는 등 일상적 움직임만으로 전기를 생산, 개폐 감지, 온도 측정, 위치 추적 등을 동시 수행하도록 한 것이다.
백정민 교수는 “이번 연구는 기존 마찰전기 발전 기술의 최대 약점이었던 불안정한 전력 출력과 변환 손실 문제를 새로운 기술로 해결한 성과”라며 “앞으로 배터리 없는 사물인터넷 센서망이 실제 산업 현장에 쓰일 수 있도록 실용화 연구를 계속해 나겠다”고 했다.
이번 연구는 과학기술정보통신부의 개인기초연구사업 등의 지원을 받아 수행했다. 연구 결과는 에너지·환경 분야 저명 국제학술지(Energy & Environmental Science)에 게재됐다.
