마찰 이용해 전기 만든다

자연현상 통해 스마트 기기 충전할 수 있어

▲마찰전기 발전기.[사진제공=유니스트]

[아시아경제 정종오 기자] 에너지는 앞으로 전 지구촌의 가장 큰 문제가 될 전망이다. 에너지원은 줄어들고 에너지 사용은 늘어나는 불균형을 어떻게 극복할 것인가. 이 문제에 인류는 직면해 있다. 국내 연구팀이 자연에서 일어나는 '마찰'을 이용한 발전 기술을 내놓아 관심을 모으고 있다.

바람이나 진동, 소리, 발걸음 등에서 에너지를 얻는 기술이다. 이른바 '마찰전기 발전기'이다. 소재의 전기적 특성을 바꿔 출력을 20배 높이는 방법을 찾아냈다.

이번 연구는 출력이 좋아진 마찰대전 발전기에 대한 기반 기술이 될 것으로 기대된다. 아주 작은 에너지를 수확하는 문제점을 분석하고 그에 따른 해결책을 제시했다.

출력이 향상된 마찰대전 발전기는 일상에서 버려지는 작은 에너지를 강력한 에너지원으로 바꿀 수 있는 기술이다. 나무나 건물 같은 고정된 사물부터 자동차 등 움직이는 사물에 이르기까지 일상에 즐비하다. 사용하지 못하는 에너지원을 활용한다면 폭발적인 에너지 문제를 해결하는 한 방법이 될 수 있다.

시공간적 제약 없이 사용 가능하다. 스마트폰과 같은 이동식 전자기기를 충전하는 기술로 활용가능하다. 유니스트(UNIST, 총장 정무영) 신소재공학부의 백정민 교수팀은 에너지 및 화학공학부의 양창덕 교수팀과 공동으로 고분자 두 종류를 결합한 신소재와 금속 전극을 마찰시켜 전기를 생산하는 고효율 마찰전기 발전기를 개발했다.

마찰전기 발전기는 두 물체가 스칠 때 만들어지는 전하 불균형을 이용해 전기를 만든다. 서로 다른 물체가 접촉하면 각 물체에 있는 음전하와 양전하가 이동하기 때문에 두 물체가 분리될 때 각 물체에 전하 불균형이 생긴다. 이런 전하 불균형 때문에 전자가 이동하게 하는 전류가 만들어진다.

마찰전기 발전기는 양전하를 모으는 '금속 전극'과 음전하를 모으는 '고분자 유전체'로 이뤄진다. 연구팀은 이번 연구에서 유전체로 쓰이는 고분자의 특성을 변화시켜 전기 출력 효율을 높이는 방법을 찾았다.

연구팀은 우선 PVDF(polyvinylidend difluoride)라는 고분자를 기본 물질로 사용했다. PVDF는 눌렀을 때 양전하와 음전하가 양쪽으로 나란히 나눠 배열되는 전기적 성질인 유전성이 강한 물질이다. 이런 특징으로 기존에도 센서와 배터리 장치에 유용하게 사용됐다.

양 교수는 "유전성이 강해 분극이 잘 이뤄지는 PVDF의 유전상수는 8.6"이라며 "유전상수가 더 커지면 전기 출력을 더 크게 낼 거라 판단해 다른 고분자를 붙이는 방법을 썼다"고 설명했다. 연구팀은 PVDF에 PtBA(poly(tert-butyl acrylate))를 붙인 새로운 고분자를 만들었습니다. 이 물질의 유전상수는 16.5까지 증가했다. 전기 출력이 20배 이상 크게 향상됐다.

백정민 교수는 "이번에 개발한 마찰전기 발전기의 음전하 대전체는 유전상수 조절로 출력을 크게 높일 수 있다는 걸 보여 앞으로 대전체 연구의 출발점이 될 것"이라며 "나무나 건물 같은 고정된 사물부터 자동차 등 움직이는 사물까지 다양한 에너지원을 이용해 스마트 기기를 충전하는 기술로 발전시킬 가능성이 높아졌다"고 말했다.

정종오 기자 ikokid@asiae.co.kr