국내 연구진이 마치 트램펄린처럼 탄성이 있는 표면에 물방울을 떨어뜨리는 방식으로 기존 ‘물방울 기반 발전기’의 발전 효율을 획기적으로 높이는 하이브리드 발전기를 개발했다.
한국연구재단은 최동휘 경희대 기계공학과 교수 연구진이 박성제 한국기술교육대 기계공학과 교수, 라문우 한국기술교육대 기계공학과 교수와 함께 압축 좌굴 현상에 기반한 4차원 프린팅 공정 기술을 새롭게 제안했다고 6일 밝혔다. 연구진은 이 공정을 활용해 떨어지는 물방울로부터 전기를 생산할 수 있는 물방울 기반 하이브리드 발전기도 만들었다.
물방울 기반 발전기(DEG)는 물방울과 고체 재료가 접촉하면서 발생하는 정전기를 활용해 전기 에너지를 생산하는 소자다. 자연환경에 존재하는 역학적 에너지원 중 하나인 떨어지는 물방울을 활용한 에너지 수확 기술은 2020년 처음 제안됐고, 소형 전자기기의 분산형 전력원으로 활용 가능성이 높아 전기 에너지 생산량을 높이기 위한 연구가 활발하게 이뤄졌다. 지금까지 대부분 소자 내에 신소재를 도입하는 연구가 진행돼 떨어지는 물방울이 충돌할 때 낭비되는 역학적 에너지를 줄이는 방법을 찾아야 한다.
최동휘 교수 연구진은 기존 DEG가 사용한 딱딱한 고체 표면 충돌 방식에서 벗어나 탄성을 갖는 구조를 채택해 낭비되는 에너지까지 회수하는 방법을 찾아냈다. 떨어지는 물방울이 고체 표면과 충돌하면서 낭비되는 에너지를 소자 내 탄성에너지의 형태로 변환하는 것이다. 그 결과 저장된 탄성에너지가 추가로 전기를 생산할 수 있는 ‘물방울 기반 하이브리드 발전기’를 최초로 개발했다.
이 발전기는 압축을 받을 때 휘어지는 현상인 ‘압축 좌굴’에 기반한 4차원 프린팅 공정을 통해 시연, 제작됐다. 4차원 프린팅은 3D로 인쇄한 물체에 지정된 조건에 따라 추후 변형하는 특성을 더한 기술이다. 이렇게 제작된 소자는 통통 튀는 탄성 구조를 가져 물방울의 역학적 에너지의 일부를 소자 내 탄성에너지의 형태로 변환했다. 연구진은 기존 발전기 대비 약 30% 향상된 에너지 생산량을 확인하고, 약 1만 개의 물방울을 반복 활용해 소자의 성능을 검증하고 안정성과 내구성까지 입증했다.
최 교수는 “미래의 잠재적 분산형 전력 공급원으로써 실용화 연구를 지속할 계획”이라며 “권기락 경희대 학부연구생(현 경희대 기계공학과 석사과정생)이 학부연구참여활동을 통해 공동 제1저자로서 성과 창출에 크게 기여했다”고 전했다.
이번 연구 성과는 재료공학 분야의 우수 국제 학술지 ‘어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)’에 지난 8월 게재됐으며, 연구의 우수성을 인정받아 지난달 28일 표지 논문으로 선정됐다.
참고 자료
Advanced Materials(2023), DOI: https://doi.org/10.1002/adma.202303681