[굿모닝충청 김지현 기자] KAIST 기계공학과 박인규‧오일권 교수와 한국기계연구원(KIMM) 정준호 박사 공동연구팀이 ‘차세대 친환경 에너지 발전 소자를 통한 해양 모니터링 기술’ 개발에 성공했다.
20일 KAIST에 따르면 기계공학과 안준성 박사과정과 김지석 박사과정이 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구는 저명 국제 학술지 ‘어드밴스드 에너지 머터리얼즈(Advanced Energy Materials)’ 8월 온라인판에 출판됐으며, 후면 표지 논문으로 선정됐다.
공동연구팀은 이전에 ‘다양한 센서 구동을 위한 소형 무선 측정 시스템’, ‘마찰전기 나노 발전기를 이용한 해양 에너지 수확 기술’, ‘임프린팅을 통한 고효율 나노구조체 형성 기술’을 개발하는 데 각각 성공했었다.
이후 이들은 표면 나노구조체의 설계와 친환경 소재 선정을 통해, 소자 전체 재활용이 가능하며 해양 환경에서 고성능·고안정성을 나타내는 마찰전기 나노 발전기를 구현할 수 있음을 처음으로 보였다.
최근 기후 변화 등 환경 관련 문제가 전 세계적으로 많이 발생하면서 온실가스 규제, 친환경 에너지 생산, 재활용 가능한 소자 등의 연구가 국제사회에서 많은 관심을 받고 있다.
이 가운데 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 기계적인 에너지를 수확함으로써 화석 연료 사용 감소에는 도움이 되지만, 사용된 전극 혹은 마찰 대전 고분자 소재 폐기 과정에서 수많은 전자 폐기물(electronic waste)을 발생시켜 또 다른 환경 문제를 일으킬 수 있다는 우려가 제기돼왔다.
이를 해결하기 위해 최근에는 소자 일부분이 물에 녹아 분해될 수 있는 친환경 소재 기반 TENG가 연구되고 있으나, 재활용과 응용 분야 관점에서 한계에 부딪혀있다.
그 이유로는 ▲마찰전기를 발생시키는 대전 물질은 물에 녹아 재활용할 수 있지만, 전자를 수확하기 위한 전극 부분의 재사용은 불가능하다는 점 ▲물에 녹는 소자 특성으로 인해, TENG의 가장 유망한 적용 분야인 해양 에너지 수확에 응용할 수 없다는 점 ▲현재까지 개발된 재활용 소자 기반 TENG는 기존 상용 소자 기반 TENG에 비해, 10~100배 이상 낮은 에너지 수확 성능과 기계화학적 불안정성을 나타낸다는 점 등이 있다.
이러한 연유로 해양 에너지 수확에 적용할 수 있으며 재활용이 가능한 고성능·고안정성 TENG를 개발하는 것은, 차세대 친환경 에너지 수확 및 환경 오염 감소에 큰 발전을 이룰 수 있을 것이라는 게 전문가들의 예상이었다.
이에 따라 연구팀은 소자 전체 재활용이 가능하며, 기계화학적 내구성이 뛰어난 소재·구조 설계를 통해 해양 환경에서 고성능·고안정성을 나타내는 친환경 TENG를 개발했다. 또 수확된 해양 에너지를 통해 배터리를 충전하고, 바다 상태(산도, 염도, 온도, 오일 유출) 및 응급 상황 모니터링에 사용되는 전자 소자와 무선 통신 모듈도 구동했다.
해양 에너지를 수확해 다양한 바다 환경을 모니터링할 수 있는 상용 소자들을 구동할 수 있음을 보인 점에서 그 의미가 크다는 평이다.
연구를 지도한 KAIST 박인규‧오일권 교수 및 한국기계연구원 정준호 박사는 "개발된 친환경 해양 에너지 수확 소자는 범지구적 에너지 문제를 해결할 수 있을 것으로 기대된다“며 ”재활용 가능한 마찰전기 나노 발전기는 추후 바다 에너지를 넘어 친환경 풍력에너지 수확에도 활용될 수 있을 것이며, 이는 친환경 에너지 시대를 앞당기는 발판이 될 것ˮ이라고 강조했다.
한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부의 재원으로 한국연구재단 창의연구지원사업‧중견연구자지원사업‧극한물성시스템 제조플랫폼기술의 지원을 받아 수행됐다.
