왜 고양이 털에 스티로폼 조각이 들러붙는지 궁금했던 적이 있으신가요? 어떤 천은 서로 문지르면 달라붙는 건 왜일까요? 이는 어떤 물질들이 접촉할 때, ‘정전기’로 알려진 전하가 발생하기 때문입니다. 과학자들은 새로운 에너지원에 대해 주목할 때면, 이 ‘접촉 전기’가 유용한 전기 에너지로 전환될 수 있을지 궁금했습니다. 그리고 2012년, 표면 간의 기계적 접촉을 통해 에너지를 발생시킬 수 있는 장치인 ‘정전소자(TENG, Triboelectric Nanogenerator)’의 발명과 함께 이것이 실현 가능해졌습니다. 이 장치는 표면 접촉을 통해 작동하기 때문에, 환경친화적이고 지속 가능한 에너지 동력원입니다. 하지만 문제도 있습니다. 현재 정전소자에 사용되는 기술은 효율이 좋지 못합니다. 공기 중의 전력 누출 가능성(일명, ‘절연 파괴’)이 있어, 궁극적으로 전력 출력을 감소시키기 때문이지요. 또 다른 문제는 LED와 같이 저항이 낮은 장치와 함께 작동할 때, 정전소자(TENG)로 인해 전압 공급이 낮아집니다.
그럼에도, 정전소자(TENGs)가 지닌 잠재력은 세계의 많은 과학자들이 이 기술의 발전에 주목하게 만들었습니다. 지난해, 중앙대 이상민 교수가 이끄는 연구팀은 정전소자의 전통적 문제를 해결할 새로운 연구를 국제 학술지 Advanced Energy Materials에 발표하였습니다. 이상민 교수 연구팀은 ‘이온 강화 전계 방출(IEFE, Ion Enhanced Field Emission)’이라는 기술을 사용하여, 새로운 유형의 정전소자를 고안하였습니다. 이는 ‘IEFE-TENG’이라고 이름 붙여졌으며, 기존의 정전소자보다 더 많은 양의 전기 출력을 생산할 수 있습니다. 이상민 교수는 이 발견에 대해 “많은 연구진들이 정전기를 통해 전기를 생산하고자 정전소자를 도입한 이래, 동일한 문제에 계속해서 직면해 왔습니다. 저희 연구팀은 구조 개선을 통해, 정전소자의 전기 성능과 적용 가능성을 더욱 높일 수 있으리라 보았습니다.”
이 장치에는 두 개의 추가적인 층이 사용되었습니다. ‘IEFE-유도층’이라 불리는 이 두 층은 일반 나노발전기의 코어에서 ‘전하 충적층’ 역할을 합니다. 비결은 이 두 층이 대기와 접촉을 형성하는 방식으로 배치되어, 대기 중의 이온과 추가적인 접촉점을 제공하는 것입니다. 이로 인해 ‘전계 방출(field emission)’ 현상이 발생하는데, 이로 인해 IEFE-유도층을 통해 전달된 전자가 평소보다 훨씬 더 높은 전력 출력을 만들어 내는 것입니다. 이 교수 팀은 정전소자의 출력을 기존 대비 6.3배 향상시켰다고 밝혔습니다. 이는 장치에 하나의 층을 추가한 결과로, 비교적 비용이 적게 들고 단순한 방법입니다. 이 교수는 새로운 발견에 기뻐하며, “이 연구를 통해 개발된 ‘이온강화 전계 방출형 정전소자(IEFE-TENG)’는 정전소자 개발의 새로운 표준과 휴대 전원공급장치에 대한 잠재적 솔루션을 제공할 수 있습니다. 저희 팀의 장치는 간단한 레이어 추가로 정전소자의 전기 출력이 대단히 크게 향상됨을 보여 주었습니다.”
정전소자는 다양한 분야에 적용될 수 있습니다. 배터리, 휴대용 게임기, 온도/습도 센서의 전원 공급원 등의 장치를 개선하는 데에 유용하게 사용될 수 있습니다. 이 교수는 연구가 적용될 수 있는 더 넓은 범위에 대해 덧붙였습니다. “에너지 수요가 전 세계적으로 급등하고 있는 가운데, 저희 팀이 고안한 효율적이고 단순한 이 장치를 통해 고비용 기술을 감당할 수 없는 나라에서도 에너지 수요를 충족할 수 있기를 바랍니다.”
에너지는 다양한 형태로 이용 가능하며, 이를 최대한 활용하는 것은 특히 지속 가능한 에너지원이 부족한 상황에서 유용한 일입니다. 녹색 에너지는 시대의 화두이며, 이러한 과학적 발명을 통해 우리는 더 나은, 더 지속 가능한 미래에 한 걸음 가까워 질 수 있습니다!
참고 자료
제목: Ion-Enhanced Field Emission Triboelectric Nanogenerator
DOI: 10.1002/aenm.201901731
저자: 이상민 (Sangmin Lee)
소속: 중앙대학교 기계공학부
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