경희대 노현희 학생·김대원 교수, 날씨 관계없이 전력 생산하는 자가발전 소자 개발

‘1석 3조’ 전력 생산 소자 개발
태양 전지 양면에 ‘마찰 전기 소자’ 부착해 비, 바람 통해서도 에너지 수확
기존 태양 전지와 크기 비슷하고, 효율 훨씬 높아

경희대학교 노현희(전자공학과 박사 2기) 학생이 날씨와 관계없이 전력을 생산하고, 날씨 모니터링 센서로도 활용할 수 있는 자가발전 소자를 개발했다. 지도교수인 김대원 교수가 교신저자로 참여했으며, 연구 결과는 에너지 분야의 저명한 국제학술지인 (IF: 15.548, JCR 상위 3.7%)에 게재됐다.

노현희 학생은 “이번 연구로 태양광, 비, 바람에서 전기에너지를 얻을 수 있는 일체형 자가발전 소자를 개발하고, 이를 날씨 모니터링 시스템에도 활용할 수 있음을 입증했다”라며 “주변 환경에 큰 영향을 받는 정전기를 다루는 일이고, 소프트웨어까지 개발하기가 쉽지 않았지만 뜻깊은 성과를 거둬 기쁘고, 지도교수님을 비롯해 도움을 주신 분들께 감사하다”는 소감을 밝혔다.

다양한 에너지원에서 전기에너지 얻는 하이브리드형 발전 소자
‘에너지 하베스팅(Energy Harvesting)’이란 일상에서 버리거나 쓰지 않은 에너지를 거두어 사용 가능한 전기에너지로 바꿔주는 기술을 말한다. 신체 움직임, 태양광, 진동·압력, 폐열, 전자파, 바람 등이 대표적인 신재생 에너지원으로 주목받고 있다. 하지만, 가장 대중적인 태양광의 경우 햇빛이 있어야만 전기를 생산할 수 있고, 시간이 지날수록 태양 전지 표면이 오염돼 생산 효율이 떨어지는 단점이 있었다.

노현희 학생과 김대원 교수가 개발한 하이브리드형 자가발전 소자의 개략도(a)와 소자의 크기 비교 사진(b). 태양 전지 위, 아래에 2개의 마찰 전기 소자를 부착했음에도 크기가 작은 것을 알 수 있다.
이러한 문제를 해결하고자 노현희 학생과 김대원 교수는 태양 전지에 빗방울과 바람에서 에너지를 얻을 수 있는 ‘마찰 전기 소자’를 부착했다. 태양 전지 위쪽에는 불소화에틸렌프로필렌(FEP) 소재의 필름과 전기전도성을 가진 2개의 투명도전막(ITO)으로 만들어진 소자를 붙였다. 필름 표면에 빗방울이 떨어지면 전자가 움직여 전기에너지를 얻는 방식이다. 해당 소자는 물에 젖지 않고 흐르게 해 태양 전지 표면을 씻어낼 수도 있다.

태양 전지의 아래쪽에는 2개의 알루미늄 전극판과 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 소재의 필름으로 구성된 소자를 달았다. 바람이 불어와 두 알루미늄 전극판 사이의 필름이 깃발처럼 펄럭이면 양쪽 전극판과 맞닿아 마찰이 일어나면서 전자의 흐름을 유도한다.

노현희 학생은 “태양 전지에 2개의 마찰 전기 소자를 달았음에도 크기와 두께는 기존과 큰 차이가 없고, 태양광·비·바람에서 동시 또는 개별로 에너지를 얻을 수 있기에 효율이 훨씬 높다”고 설명하며 “그뿐만 아니라, 마찰 전기 소자의 활성 여부를 통해 직접 보지 않고도 날씨를 파악할 수 있어 자동으로 농작물을 관리하는 미래 농업에 크게 기여할 것”이라고 전했다.

김대원 교수 연구실에서 화학과 재료공학 기반의 폭넓은 연구를 수행한 노현희 학생은 바이오산업에서 에너지 하베스팅 기술을 활용하는 연구를 수행할 계획이다. 그는 “인공심장이나 인공망막 같은 경우 배터리 문제로 크기도 커지고 주기적으로 교체해야 하는데, 에너지 하베스팅 기술을 통해 이러한 문제를 해결하고 싶다. 앞으로 많은 사람에게 도움이 되는 연구를 하는 것이 연구자로서의 목표이다”라고 밝혔다.