크룩스관의 형광체가 발광하고 진공상태에서 플라즈마가 생성되고 있는 모습/생산기술연구원 제공

한국생산기술연구원 조한철 박사, 한국기술교육대 박진형 교수, 성균관대 김상우 교수 연구팀이 마찰대전 나노발전기의 전극 구조를 마이크로 톱니 형태로 만들고 방전 특성을 이용해 마찰전기의 출력을 극대화할 수 있는 원천기술을 개발했다.
기존 연구에서 주목하지 않았던 ‘전극 구조 변화’에 초점을 맞춰 세계 최고 수준의 5000V 이상 고전압을 구현했다.
2000V 수준에 머물렀던 유사 연구들보다 2~3배 이상 뛰어난 출력이다.
별도의 전압 증폭 장치 없이 플라즈마도 만들어 냈다.
이번 기술이 상용화되면 고전압 플라즈마를 활용한 공기 중 바이러스·세균 제거 등 다양한 분야에서 기여할 것으로 전망된다.

마찰대전 나노발전기를 이용, 별도 전압 증폭장치 없이도 진공상태에서 플라즈마를 만들어내는 모습/생산기술연구원 제공

마찰전기는 옷을 입거나 물건을 만질 때 정전기로 불리는 전기로 이것을 활용하면 외부 전원 없이 LED 전구에 불을 밝힐 수 있다.
마찰대전 나노발전기는 별도의 에너지 변환 장치다.
이 장치는 서로 다른 두 물질을 마찰시킬 때 접촉 표면에 발생하는 운동에너지를 전기에너지로 변환해주는 역할을 한다.
연구팀은 마찰대전 나노발전기의 전극 구조를 마이크로 톱니 형태로 만들었다.
증폭 전보다 약 25배 이상의 전압 출력과 120배 이상 전류가 상승했다.
5000V 수준의 고전압 상태를 가시화해 보여주는 크룩스관의 형광체 발광 실험과 진공상태에서 플라즈마가 지속적으로 생성되는 현상을 검증했다
연구팀은 알루미늄판을 기계 가공할 때 생기는 부산물인 '알루미늄 울(wool)'의 재활용에서 아이디어를 얻었다.
알루미늄 울의 가장자리는 마이크로미터(㎛) 크기의 톱날 형태가 연속된 구조로 돼 있다.
그 부근에 전극이 접근하면 마치 피뢰침이 번개를 맞는 것처럼 스파크 방전 효과가 발생한다.
연구팀은 전극 형태가 뾰족할수록 스파크 방전이 쉽게 이뤄지며 출력 또한 극대화된다는 것을 밝혀냈다.
이를 통해 마이크로톱니 형태의 전극을 만들고 스파크 방전이 지속적으로 일어나게 하는 증폭 장치를 독자적으로 설계·제작했다.

마찰대전 나노발전기의 출력을 극대화시킨 '증폭 장치' 프로토타입. 
진자운동을 하는 검정색 원형추가 마이크로 톱니가 구현된 금색 전극에 닿으면서 스파크 방전이 지속적으로 일어난다/생산기술연구원 제공

조한철 박사는 “마찰대전 나노발전기는 고전압 저전류라는 특성상 감전으로부터 안전하고 자가충전 할 수 있어 반영구적으로 활용 가능한 미래기술”이라며 “향후 상용화되면 지나가는 사람들의 운동·마찰에너지로 어두운 골목길, 등산로의 전구를 밝히는 것부터 고전압 플라즈마를 활용한 공기 중 바이러스·세균 제거까지 다양한 실생활 분야에서 국민 편의와 안전 제고에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.”고 말했다.

이번 연구결과는 2020년 11월 에너지 분야 상위 3%에 해당하는 학술지 '어드밴스드 에너지 머터리얼즈(Advanced Energy Materials)'에 게재됐다. 
 

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