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  • 기사등록 2022-09-20 15:39:28
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▲ 한국기계연구원, KAIST 공동 연구팀이 지속 가능한 해양 모니터링을 위한 친환경 해양 에너지 수확 소자를 개발하는 데 성공했다. (왼쪽부터) 한국기계연구원 정준호 박사, KAIST 박인규 교수, 오일권 교수, 안준성 박사과정, 김지석 박사과정



[기계신문] 한국기계연구원 정준호 전략조정본부장과 KAIST 기계공학과 박인규·오일권 교수 공동 연구팀이 ‘차세대 친환경 에너지 발전 소자를 통한 해양 모니터링 기술’을 개발하는 데 성공했다.


이전에 다양한 센서 구동을 위한 소형 무선 측정 시스템마찰전기 나노발전기를 이용한 해양 에너지 수확 기술임프린팅을 통한 고효율 나노구조체 형성 기술을 개발하는데 각각 성공했던 공동 연구팀은 표면 나노구조체의 설계와 친환경 소재 선정을 통해 소자 전체 재활용이 가능하며 해양 환경에서 고성능과 고안정성을 나타내는 마찰전기 나노 발전기를 구현할 수 있음을 최초로 제시하였다.


최근 기후 변화와 같은 환경 관련 문제가 전 세계적으로 많이 발생하면서 온실가스 규제, 친환경 에너지 생산, 재활용 가능한 소자 등 이를 해결하기 위한 연구가 국제사회에서 많은 관심을 받고 있다.


그 중에서 특히 마찰전기 나노발전기(triboelectric nanogenerator, 이하 TENG)는 버려지는 기계적 에너지를 전기 에너지의 형태로 수확하는 친환경 재생에너지 소자로서 많은 연구가 진행되고 있다,


하지만 현재까지 개발됐던 대부분의 TENG는 버려지는 기계적 에너지를 수확함으로써 화석 연료 사용 감소에 도움이 되지만, 한편으로는 사용된 전극 혹은 마찰 대전 고분자 소재 폐기 과정에서 수많은 전자 폐기물(electronic waste)을 발생시켜 또 다른 환경 문제를 일으킬 수 있다.


이를 해결하기 위해 소자의 일부분이 물에 녹아 분해될 수 있는 친환경 소재 기반 TENG가 연구되고 있지만, 재활용과 응용 분야 관점에서 한계에 부딪혀왔다.


우선, 마찰전기를 발생시키는 대전 물질은 물에 녹아 재활용할 수 있지만, 전자를 수확하기 위한 전극 부분의 재사용은 불가능하다. 또, 물에 녹는 소자 특성으로 인해 TENG의 가장 유망한 적용 분야인 해양 에너지 수확에 응용이 불가능하다.


더욱이 현재까지 개발된 재활용 소자 기반 TENG는 기존 상용 소자 기반 TENG에 비해 10~100배 이상 낮은 에너지 수확 성능과 기계화학적 불안정성을 나타낸다.


따라서 해양 에너지 수확에 적용할 수 있으며 재활용이 가능한 고성능·고안정성 TENG를 개발하는 것은 차세대 친환경 에너지 수확과 환경 오염 감소에 큰 발전을 이룰 수 있을 것으로 전문가들은 예상하고 있다.



▲ 지속 가능한 해양 모니터링을 위한 친환경 해양 에너지 수확 소자 재활용 개념도



연구팀은 소자 전체 재활용이 가능하며 기계화학적 내구성이 뛰어난 소재와 구조 설계를 통해 해양 환경에서 고성능과 고안정성을 나타내는 친환경 TENG를 개발했다.


또한, 수확된 해양 에너지를 통해 배터리를 충전하고, 응급 상황 모니터링에 사용되는 전자 소자와 무선 통신 모듈을 구동했다. 이는 해양 에너지를 수확해 다양한 바다 환경을 모니터링할 수 있는 상용 소자들을 구동할 수 있음을 확인했다는 데 그 의미가 크다.


한국기계연구원 정준호 전략조정본부장은 “개발된 친환경 해양 에너지 수확 소자는 범지구적 에너지 문제를 해결할 수 있을 것으로 기대된다”며 “재활용 가능한 마찰전기 나노 발전기는 바다 에너지를 넘어 친환경 풍력에너지 수확에도 활용됨은 물론, 이는 친환경 에너지 시대를 앞당기는 발판이 될 것이라고 설명했다.



▲ 이번 연구는 2022년 8월 국제학술지 ‘어드밴스드 에너지 머터리얼즈(Advanced Energy Materials)’ 후면 표지 논문으로 선정됐다.



한편, 과학기술정보통신부의 재원으로 한국연구재단 창의연구지원사업, 중견연구자지원사업, 극한물성시스템 제조플랫폼기술의 지원을 받아 수행된 이번 연구 결과는 국제 학술지 ‘어드밴스드 에너지 머터리얼즈(Advanced Energy Materials)’ 2022년 8월 온라인판에 출판됐으며, 후면 표지 논문(Back Cover)으로 선정됐다.


기계신문, 기계산업 뉴스채널

권혁재 기자 hjk@mtnews.net

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