중앙대, 신체 활동 에너지 수확하는 차세대 나노발전기 개발

[글로벌대학팀 김선영 기자]

중앙대학교 기계공학부 이상민 교수 연구팀이 기존 마찰대전 발전소자의 한계를 극복하고, 일상 속 신체 활동에서 발생하는 에너지를 추가로 수확할 수 있는 ‘인체 매개 에너지 동시수확 마찰대전 나노발전기’를 개발했다.

기존 휴대형 마찰대전 나노발전기는 소형화에 성공했지만 출력이 낮고 발전량에 한계가 있었다. 이에 따라 신소재를 적용하거나 구조를 최적화하려는 다양한 시도가 이어졌지만, 이번 연구는 에너지원 자체를 추가로 확보하는 방식으로 접근해 문제를 해결했다. 개발된 발전기는 내부에 장착된 구슬이 상하로 움직이며 전극과 반복적으로 접촉 및 분리하는 기존 방식으로 마찰대전 에너지를 수확하는 동시에, 신체와 지면 사이에서 발생하는 에너지를 인체를 통해 손으로 전달받아 추가로 수확하는 구조를 갖췄다.

연구진은 특히 전극과 인체가 맞닿는 부분에 서로 다른 유전 특성을 가진 소재를 적용해 전위 전달을 극대화했다. 실험 결과, 같은 유전체를 사용할 경우 양 전극에서 인체로 전달되는 전위가 동일해 에너지 수확이 거의 발생하지 않았지만, 서로 다른 소재를 사용할 경우 전위 차가 극대화돼 수확 효율이 크게 향상된 것으로 나타났다.

또한 손잡이의 형태, 구슬의 부피 및 재질 등 다양한 설계 조건을 실험해 최적화한 결과, 상용 온습도계를 구동할 수 있는 수준의 에너지를 생산하는 데 성공했다. 구조가 단순해 추가 배터리나 복잡한 부품 없이도 일상적인 신체 활동만으로 전력 생산이 가능하다는 점에서 높은 상용화 가능성이 기대된다.

이번 연구는 한국연구재단 중견연구 사업과 중앙대학교 연구조교A 사업의 지원을 받아 진행됐으며, 연구 결과는 ‘Nano Energy’에 게재됐다. 논문 제목은 ‘인체 매개 에너지의 동시 수확을 통한 신체 동작 기반 마찰대전 나노발전기(Human-driven triboelectric nanogenerator via simultaneous harvesting of body-coupled energy)’이며, 허지웅 박사과정생과 송명환 박사과정생이 공동 제1저자로 참여했다.

이상민 교수는 "이번 연구는 인체 활동 에너지를 효율적으로 수확해 배터리 충전이 어려운 웨어러블 및 휴대용 전자기기의 전력 문제를 해결할 수 있는 새로운 방향을 제시했다"고 말했다.

김선영 기자 글로벌대학팀 globalu@beyondpost.co.kr