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왼쪽부터 손진호 석사, 차경환 석박사통합과정생, 이상민 교수. |
연구팀은 장치의 무게를 최소화한 데 더해 저소음·고수명·고출력이란 장점을 지닌 ‘알루미늄 호일의 공 구조를 활용한 정전소자’를 개발했다.
공 모양으로 구겨진 알루미늄 호일은 크럼플드볼(Crumpled-ball) 구조를 갖는다. 연구팀은 이러한 크럼플드볼을 발전 재료로 사용해 기계적 에너지를 전기에너지로 변환하는 정전소자(Triboelectric Nanogenerator, TENG)를 개발했다.
연구팀은 알루미늄 크럼플드볼이 내부 기공으로 인해 일반적인 금속 구에 비해 95% 가량 가볍다는 점에 주목했다. 연구 결과 크럼플드볼 사용 시 기존 금속 구 기반 정전소자의 출력은 유지하면서 작동 시 발생하는 소음이 적었고, 발전소자의 기계적·전기적 수명도 획기적으로 늘어났다.
새 정전소자는 공기항복 현상을 이용하게끔 구조를 설계한 결과 방전소자의 단점으로 여겨지던 낮은 피크 출력과 전류 출력이란 한계를 극복하는 것으로 나타났다. 별도의 접지가 필요없는 프리 스탠딩 전극 구조이기에 휴대성도 확보하는 데 성공했다.
연구팀은 통상 버려지는 알루미늄 호일은 한쪽 면에 오염물질이 묻은 경우가 많다는 점도 놓치지 않았다. 오일, 스테이크 소스, 케첩, 꿀 등 일상적인 오염물질이 묻은 환경을 시험한 결과 전기 출력의 감소가 미미한 수준에 그친다는 것을 확인했다.
이처럼 마찰대전 효과와 정전기 유도 원리를 기반으로 하는 새 정전소자는 간단한 제조공정과 저렴한 재료비, 높은 전력밀도 등 다양한 장점을 갖고 있다. 500개의 LED와 30W의 상용 램프를 점등할 만큼 출력도 크다. 친환경 차세대 휴대형 에너지 소자란 평을 받으며 전 세계적인 주목을 받고 있다.
이번 연구는 2022년 피인용도(Impact Factor) 17.521을 달성한 국제 저명 학술지 ‘Advanced Science’에 게재됐다. 이상민 교수 연구실 소속 기계공학과 손진호 석사, 차경환 석박사통합과정생이 공동 제1저자에 이름을 올렸다.
이상민 교수는 “이번 연구 성과는 재료의 뛰어난 특성을 활용해 정전소자의 다양한 한계를 극복함과 동시에 폐기되던 알루미늄을 재생에너지 수확 소자로 사용함으로써 지속가능한 발전에 한 걸음 다가간 중요한 발견”이라고 전했다.
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