국내 연구진이 일상 속 신체 활동에서 발생하는 에너지를 수확할 수 있는 차세대 발전 기술을 개발했다.

중앙대학교(총장 박상규)는 이 대학 기계공학부 이상민 교수 연구팀이 기존 마찰대전 발전소자의 출력 한계를 극복하고, 인체매개 에너지를 동시에 추가적으로 수확하는 ‘인체 매개 에너지 동시수확 마찰대전 나노발전기’를 개발했다고 28일 밝혔다.

기존 휴대형 마찰대전 나노발전기는 휴대성을 갖춘 대신 출력이 작고 발전 한계 또한 뚜렷했다. 이를 해결하기 위해 신소재를 도입하거나 구조의 최적화를 진행한 연구는 많이 있었지만, 이번 연구는 에너지원 자체를 추가적으로 확보한다는 새로운 접근법을 통해 한계를 극복했다.

이번 개발한 발전기는 기기 내부의 구슬이 상하 운동을 하며 전극과 접촉 및 분리를 반복함으로써 기존 방식의 마찰대전 에너지를 수확하는 동시에, 신체와 지면 사이에서 생기는 마찰대전 에너지를 인체를 통해 손까지 전달받아 추가로 수확한다는 점이 특징이다.

특히 고무와 실리콘 등 전극과 인체가 맞닿는 부위에 서로 다른 유전 특성을 가진 소재를 적용해 인체를 통한 전위 전달이 차등적으로 이뤄지도록 설계했다. 실험 결과 동일한 유전체를 사용할 때는 두 전극에서 인체로 전달되는 전위가 같아 에너지 수확이 거의 일어나지 않았지만, 다른 소재를 사용할 경우, 전위가 극대화되어 에너지 수확 효율이 크게 향상되었다.

연구팀은 손잡이의 형상, 내부 구슬의 부피, 재질 등 다양한 설계 변수를 실험해 최적의 조건을 도출했다. 이를 통해 상용 온습도계를 구동할 수 있을 만큼의 에너지를 생산할 수 있었으며, 구조가 단순해 추가 배터리나 복잡한 부품 없이 일상적인 신체 활동만으로 실질적인 전력 생산이 가능하다는 점에서 높은 상용화 가능성을 지닌다.

이번 연구는 한국연구재단의 중견연구 사업, 중앙대학교 연구조교A 사업의 연구비를 지원받아 이뤄졌다. 연구 결과는 ‘인체 매개 에너지의 동시 수확을 통한 신체 동작 기반 마찰대전 나노발전기’라는 제목으로 국제 저명 학술지 ‘Nano Energy’에 게재됐다. 이상민 교수 연구실 소속 기계공학과 허지웅 박사과정생, 송명환 박사과정생이 공동 제1저자에 이름을 올렸다.

이 교수는 “이번 연구는 인체 활동 에너지를 효율적으로 수확해 배터리 충전이 어려운 웨어러블 및 휴대용 전자기기의 전력 문제를 해결할 수 있는 새로운 방향을 제시했다”고 밝혔다.