12만회 반복 마찰·습도 99%에서도 성능 유지 … 배터리 없는 센서 구현
국내 대학 연구진이 물체의 움직임이나 마찰에서 생기는 전기를 바로 사용할 수 있는 직류 형태로 만드는 발전 기술을 개발했다. 이를 이용해 배터리 없이 센서를 작동시키는 데도 성공했다.
성균관대 신소재공학부 백정민 교수 연구팀은 마찰로 발생한 전기를 별도의 복잡한 변환 장치 없이 안정적인 직류로 만드는 발전기를 개발했다고 8일 밝혔다.
마찰전기는 옷을 벗을 때 생기는 정전기처럼 물체가 서로 닿거나 떨어질 때 발생한다. 이를 활용하면 문을 여닫거나 사람이 움직이는 과정에서 생기는 에너지를 전기로 바꿀 수 있다.
기존 마찰전기 발전기는 전압이 크게 출렁이고 전류 방향도 계속 바뀌는 문제가 있었다. 센서 등 전자기기에 사용하려면 일정한 방향으로 흐르는 직류로 다시 바꿔야 해 추가 장치가 필요했고, 이 과정에서 에너지 손실도 발생했다.
연구팀은 마찰로 생긴 전하가 세라믹 소재 내부의 전기적 상태를 변화시키는 현상을 이용했다. 전극 구조를 조절해 전자가 한 방향으로 흐르도록 함으로써 발전 단계에서부터 안정적인 직류를 만들었다.
내구성도 높였다. 티탄산바륨 세라믹 입자와 고분자를 결합해 전기를 유지하는 능력을 높이고 반복 마찰에 따른 마모를 줄였다.
실험 결과 발전기는 12만회 이상 반복해서 마찰한 뒤에도 성능을 유지했다. 습도가 99%에 이르는 환경에서도 25시간 동안 안정적으로 전기를 생산했다.
연구팀은 문을 여닫는 움직임으로 만든 전기만으로 문 개폐 여부와 온도, 위치 정보를 확인하는 센서 시스템도 작동시켰다.
이 기술은 배터리를 자주 교체하기 어려운 물류시설과 냉장·냉동 운송, 산업시설 안전관리 등에 활용될 수 있을 것으로 연구팀은 보고 있다.
백정민 교수는 “마찰전기 발전의 불안정한 출력과 전력 변환 과정에서 발생하는 손실을 줄인 것이 이번 연구의 핵심”이라며 “배터리 없이 작동하는 센서 시스템의 실용화를 위한 연구를 이어가겠다”고 말했다.
연구 결과는 국제학술지 ‘Energy & Environmental Science’에 게재됐다.
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