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빗방울의 강하에너지를 이용한 투명 마찰전기 나노발전기와 태양광 발전소자와의 집적
조대현 교수(경상국립대학교 메카트로닉스공학부) / cho at gnu.ac.kr

신재생 에너지 시대를 맞아 태양광은 중요한 미래 에너지로 급부상하였고, 최근 수년 동안 태양광 소자의 발전 효율은 급격히 높아지고 있습니다. 단 에너지 공급은 연중 날씨에 상관없이 안정적으로 이루어져야 하는데 이러한 관점에서 장마철이 뚜렷한 한국의 경우 태양광 발전은 해결해야 할 과제를 안고 있었습니다.

이번 서면 인터뷰에서 만나 보실 조대현 교수(경상국립대학교 메카트로닉스공학부)는 전기수력학적 잉크젯 프린팅 기술과 은 나노입자를 활용하여 투명전극을 제조하고 이를 투명 마찰전기 발전기에 적용하여 뛰어난 성능의 마찰전기 나노발전기 개발에 성공하였습니다.  

 

연구 결과 또한 융합과학 분야 세계적 학술지 ≪나노에너지(Nano Energy 2022 95 107049≫ (Impact Factor 19.069)에 게재되었는데요. 연구에 대한 자세한 이야기해보도록 하겠습니다.


1. 현재 교수님께서 하고 계시는 주요 연구에 대한 간단한 소개 부탁드립니다.

저희는 마찰, 마모, 표면 일함수(Work function)를 포함한 다양한 표면물성을 측정하고, 박막을 이용하여 표면의 물성을 제어하는 연구를 수행하고 있습니다. 주로 원자힘현미경(Atomic Force Microscopy)을 이용하여 표면의 일함수, 나노스케일 마찰, 박막의 강도나 탄성계수를 측정하고 있으며, 전기수력학적 잉크젯 프린팅(Electrohydrodynamic inkjet printing, e-jet printing), 전기 분무(Electrospray), 또는 전기 방사(Electrospinning) 공정을 이용한 미세박막과 패턴을 제조하여 표면의 물성을 제어하는 연구를 수행하고 있습니다. 위와 같은 표면 물성 측정 및 제어 기술을 바탕으로 최근에는 마찰전기나노발전기(Triboelectric nanogenerator, TENG) 제조를 시도하고 있습니다.





2. 마찰전기 나노발전기는 두 물질이 반복적으로 접촉 및 분리될 때 발생하는 대전과 정전기 유도현상을 이용하여 에너지를 수확한다고 하는데요. 그 원리에 대해서 자세한 설명 부탁드립니다.

표면의 일함수가 다른 두 물질이 접촉하면 접촉계면에서 전하가 이동합니다. 그리고 접촉하는 두 물질의 일함수 차이만큼 전하 이동량이 결정됩니다. 두 표면이 다시 분리될 때, 전하가 원래의 표면으로 돌아가는데, 보통의 경우 전하가 돌아가는 속도보다 표면이 떨어지는 속도가 빨라 모든 전하가 돌아가지 못하고 잔류하는 전하가 남게 됩니다.

조금 더 정확히 얘기하자면, 두 표면이 분리될 때 터널링(Tunneling) 현상에 의해 전하가 원래의 자리로 돌아가는데, 터널링 효과가 두 표면사이의 거리가 멀어짐에 따라 급감하여 잔류전하가 남게 됩니다. 잔류 전하에 의해 분극(Polarization)이 발생하고, 두 물질의 계면 반대쪽에서는 정전기 유도현상에 의해 계면과 반대의 전하가 유도됩니다. 이렇게 대전된 물질들이 외부회로에 의해 연결되어 있다면, 정전기 유도에 의한 포텐셜 차이에 의해 전류가 유도됩니다.

다시 한번, 두 물질을 다시 접촉시키면, 비슷한 과정을 통해 반대 방향의 전류가 흐르게 되어, 기계적에너지를 전기에너지로 전환시킬 수 있습니다. 어렸을 때 책받침을 머리에 문질러 머리카락을 세우는 경험 또는 풍선을 손으로 문질러 손에 붙이는 경험이 있다면, 책받침과 머리카락 그리고 풍선과 손 사이에 생기는 대전현상을 이용한 발전기라고 생각해도 좋겠습니다.

따라서 이러한 원리를 바탕으로 마찰전기나노발전기를 연구하는 과학자들은 두 물질의 일함수 차이를 증가시켜 대전현상을 증대시키거나, 마찰전기나노발전기의 구조개선을 통해 효과적으로 기계적에너지를 전기에너지로 변환시킬 방법을 찾고 있습니다.





고체와 고체사이의 마찰뿐 아니라 고체와 액체 사이에도 마찰대전과 정전기유도에 의한 분극현상을 발생시킬 수 있고(Fig. 1), 저희는 이에 투명한 마찰전기 소자를 개발하여 비오는 날 발전 가능한 하이브리드 마찰전기/태양광 소자 개발이 가능하다고 생각했습니다. 본 연구는 성균관대학교 변도영 교수님 연구그룹과 부산대학교 이승기 교수님 연구그룹의 도움을 받아 수행했습니다.


3. 많은 과학자가 빗물을 이용한 마찰전기 나노발전기와 태양광 소자의 하이브리드 발전 시스템 개발에 노력을 기울이고 있는데요. 과거에 비해 어느 정도의 성능향상이 되었는지 궁금합니다. 그리고 고효율의 하이브리드 발전 시스템에 적용하기 위한 마찰전기 나노발전기의 특성에는 어떤 것들이 있는지 설명 부탁드립니다.

2013년 Zhong Lin Wang 교수 연구그룹에서 액체와 고체 사이의 접촉대전과 정전기 유도 현상을 이용하여 마찰전기 나노발전기 설계가 가능한 것이 알려진 이후, 빗물을 이용한 마찰전기 나노발전기에 관한 연구가 본격적으로 시작되었습니다. 특히 과학자들은 물과의 접촉으로 발전하는 마찰전기 나노발전기가 투명하고 소수성 표면(Hydrophobic surface)을 갖는다면, 태양광 발전기 위에 집적하여 하이브리드 발전이 가능하다는 생각을 하기 시작했습니다.

마찰전기 나노발전기가 투명해야 하는 이유는 쾌청한 날씨에서의 태양광 발전기의 효율 때문입니다. 당연하게도, 태양광 발전기 표면에 집적된 마찰전기 나노발전기가 불투명할수록 태양광 발전기의 효율은 감소하기 때문입니다. 한편, 마찰전기 나노발전기의 표면이 소수성이어야 하는 이유는 Fig. 2에서 보인 바와 같이 마찰대전 이후 정전기 유도현상을 발생시키기 위해 물방울과 발전기 표면이 분리되어야 하고, 친수성 표면(Hydrophilic surface)에서는 이러한 분리 현상이 발생하지 않기 때문입니다.





저희 연구그룹이 조사한 바에 따르면, 물과의 접촉으로 발전하는 투명 마찰전기 나노발전기의 성능과 투명도는 Fig. 2와 같습니다. 투명도는 2022년 5월 기준 약 95%, 전력 밀도(Power density)는 약 1.15 W/m2 수준입니다. 쾌청한 날씨가 많은 우리나라에서는 마찰전기 나노발전기의 전력 밀도 보다는 투명도가 중요하고, 사바나 기후와 같이 건기와 우기가 뚜렷한 나라에서는 우기에서의 발전량도 중요하기 때문에 전력 밀도 역시 매우 중요할 것입니다.


4. 수행하신 연구에 대한 방법과 보완해야할 점은 없는 건지 궁금합니다.

저희는 마찰전기나노발전기를 투명하게 만들기 위해 대전층(Polydimethylsiloxane), 전극(은 나노입자), 기판(유리) 모두 투명한 물질을 선택하였습니다. 전극의 경우 e-jet 프린팅 기술을 이용하여 은 나노입자를 수 마이크로미터 수준의 미세한 격자 패턴으로 제조하였습니다. 결과적으로 마찰전기나노발전기 외부 표면 전반에 걸쳐 균일한 투명도를 얻을 수 있었습니다. 일반적인 잉크젯 프린팅 기술에 비해 e-jet 프린팅 기술이 보다 미세한 패턴 제조를 가능하게 하는데, 전기장을 이용하여 잉크를 기판쪽으로 당기면서 토출 시키기 때문에 잉크 표면장력에 의해 발생하는 분해능 문제를 해결할 수 있기 때문입니다.

연구를 발전시키기 위해서는 실제로 사용되는 태양광 발전시스템에 직접 적용하여 성능을 검증해 볼 필요가 있습니다. 이를 위해 미터 스케일 이상의 넓은 면적에 투명하고 소수성을 갖는 마찰전기 나노발전기를 태양광 발전시스템에 집적시킬 공정기술도 필요 하고요. 성능면에서는 더욱 투명하고, 높은 발전 성능을 보일 수 있는 물질을 탐색하는 것도 중요하겠습니다.


5. 2014년 오하이오 주립대학교, The George Washignton University 박사 후 연구원으로 재직하고 계셨는데요. 그 당시 어떤 연구를 하셨는지 궁금합니다.


오하이오 주립대학교에서는 Bharat Bhushan 교수 연구그룹에서 P&G의 연구 프로젝트를 수행했습니다. 우리가 마트에 가면 P&G에서 제조한 많은 플라스틱 용기들을 볼 수 있습니다. 이들의 레이블링(Labeling) 공정이 플라스틱으로 제조한 와이퍼로 이루어 지고, 마모에 취약한 와이퍼 때문에 공정이 중단되면, 생산량이 감소하여 회사는 손해를 입게 됩니다. 또한 마모로 인해 와이퍼와 레이블 사이의 마찰력이 불안정해 지면 레이블링이 깨끗하게 되지 않는 문제가 생겨 불량이 발생하기도 하죠.





이에 생산 공정에 적합한 와이퍼를 마찰 및 마모의 관점에서 평가하고 설계하는 업무를 수행했었습니다. 이후 조지워싱턴 대학교에서는 GM과 함께 자동차 엔진의 마찰 및 마모를 감소시키는 방법을 연구하였고요. 마찰 부의 표면에 미세한 음각 구조를 만들어 윤활유가 효과적으로 엔진을 보호할 수 있도록 하는 것이 목표였습니다. 박사 후 연구원으로 재직하면서 플라스틱 재료의 표면 특성과 미세 표면패턴을 이용한 윤활에 관한 연구 경험이 현재 마찰전기 나노발전기에 관한 연구를 수행하는데 중요한 밑거름이 된 것 같습니다.


6. 연구 진행 중 어려운 점이 있었다면 어떤 점이었으며, 어떻게 해결해 오셨는지 알려주세요.

연구는 언제나 어려웠던 것 같습니다. 대부분 가설대로 연구결과가 도출되지 않고, 연구 중 마주하는 새로운 사실들을 주로 학계에 보고해 왔던 것 같습니다. 그러나 이번 마찰전기 나노발전기에 관한 연구는 목표를 그대로 구현한 몇 안 되는 결과물입니다. 그렇다고 어려운 점이 없었던 것은 아닙니다.

저희 연구그룹에서 마찰전기 나노발전기와 태양광 발전 시스템을 융합하는 시도는 2016년에 처음 시도되었습니다. 그리고 이때 저는 성균관대학교에 연구교수로 재직 중이었습니다. 2013년에 발표된 액체와 고체 사이의 마찰대전 및 정전기 유도를 통해 마찰전기 나노발전기를 제작할 수 있다는 Zhonglin Wang 그룹의 논문(Angew. Chem. Int. Ed. 2013, 52, 12545-12549)을 읽고, 마찰전기 나노발전기에 투명성과 소수성을 부여하여 현재의 하이브리드 발전 시스템을 생각해냈습니다.

연구 중 2017년 현재 재직 중인 경상국립대학교로 이직하면서 연구 결과를 도출하기까지 시간이 더 필요하게 되었습니다. 그 사이 학술지 ACS Nano (2018, 12, 3, 2893-2899) 및 Nano Energy (2019, 59, 508-516)에서 저희가 시도하던 하이브리드 발전 시스템 개발 논문이 발표되어 어려움이 있었습니다.





연구의 창의성 부분에서 우리 연구결과의 가치가 많이 감소하였지만, 저희 연구그룹이 자신하고 있었던 e-jet 프린팅 공정 기술의 장점을 더욱 부각 시키고 마찰전기 나노발전기의 투명도와 성능 향상에 더욱 노력을 기울이기로 하였습니다. 다행히 ACS Nano (2017) 학술지에 공개된 마찰전기 나노발전기의 경우 전극이 투명하지 않았고, Nano Energy(2018년)학술지에 공개된 마찰전기 나노발전기의 경우 전극을 포함한 마찰전기 나노발전기 전체가 투명하지만, 은나노와이어를 무작위로 배치하여 발전시스템 전체에 균일한 투명도를 구현하지 못했습니다.

저희는 은나노입자를 격자구조로 미세하게 프린팅했기 때문에 균일하고 높은 투명도 그리고 뛰어난 성능을 구현 할 수 있었습니다. 이 과정에서 논문의 제 1 저자인 임부시 연구원(성균관대학교 석박사통합과정)의 많은 노력이 있었고, 성균관대학교 기계공학부 변도영 교수님, 부산대학교 재료공학부 이승기 교수님의 소중한 도움이 있었습니다.


7. 이런 연구에 힘입어 앞으로 연구 계획 중인 연구나 또 다른 목표가 있으신지 궁금합니다.


자연에는 다양한 기계적 에너지(해류, 파도, 바람, 인간의 움직임 등)가 존재하고, 이들을 마찰전기나노 발전기를 이용하여 전기 에너지로 전환이 가능합니다. 현존하는 다양한 발전장치와 융합하여 하이브리드 발전기를 계속해서 개발해 나가고 싶고, 마찰전기 나노발전기의 신뢰성을 확보하기 위한 윤활에 관한 연구를 수행하고 싶습니다.






 

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