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(지난 기사에서 이어집니다 https://blog.kepco.co.kr/1567)

 

지난 기사에서 에너지 하베스팅이란 무엇인가에 대해 소개 드렸는데요. 이번 글에서는 에너지 하베스팅 방식 중 정전기를 전기에너지로 변환하는 연구에 대해 소개하고자 합니다.

 

ⓒ유토이미지, 셔터스톡 

 

건조한 겨울, 옷을 벗을 때 따끔! 하는 자극이 가해지면 다들 ‘정전기가 흘렀다’라고 표현하죠. 저는 이럴 때마다 ‘정전기를 모아서 전기에너지로 사용할 수 있지 않을까?’라고 상상하곤 했는데요. 이 상상이 현실이 되어가고 있답니다! 최근 마찰전기를 활용해 전기를 생산하는 연구가 성과를 보이고 있거든요.

 

에너지 하베스팅의 대표 주자, 정전기(마찰전기)를 활용한 전기 생산 방식! 함께 알아볼까요?

 

 


 

정전기? 마찰전기?

 

정전기영어로 Static electricity, 한자로는 靜電氣라고 표현합니다. 단어의 의미를 풀이해보면 ‘정지된 전기’라는 의미인데요. 여기서 ‘전기가 정지해있다고...?’하는 의문이 생깁니다. 전기가 정지되어 있는 상황이 가능한 걸까요?

 

흔히 우리가 물체를 분류할 때 도체, 부도체로 분류를 합니다. 도체 내부에서는 전자의 이동이 자유롭습니다. 따라서 도체는 전기가 잘 흐른다는 특성을 가지고 있죠. 대표적인 도체로는 구리, 알루미늄, 철, 같은 금속을 들 수 있습니다.

 

부도체에서는 전자의 이동이 어렵습니다. 원자핵과 전자가 각각 음극과 양극으로 거의 끌려가지 않죠. 이처럼 전기가 잘 흐르지 못하는 물체를 부도체라고 부르며 돌, 나무, 플라스틱 등이 대표적인 부도체입니다. 그리고 이 부도체 내에서 전자가 잘 움직이지 못할 때 우리 신체를 가져다 대면 방전 현상이 일어납니다. 바로 이 현상을 ‘정전기’라고 부른답니다.

 

ⓒ셔터스톡

 

이런 정전기의 원리가 적용된 대표적 자연 현상이 바로 번개입니다. 자연 현상으로 인해 한쪽에는 양전하가 더 많아지게 되고 반대쪽에 음전하가 쌓이게 되면, 정전계가 형성됩니다. 그러다 이 정전계의 강도가 커지게 되면 결국 공기의 절연 파괴 강도를 넘어서면서 방전이 일어나게 되죠. 이 현상이 바로 낙뢰입니다.

 

많은 사람들이 정전기와 마찰전기를 같은 의미로 생각합니다. 하지만 마찰전기는 정전기의 한 종류입니다. 플라스틱 책받침을 헝겊으로 문지르면 마찰로 인해 전자가 에너지를 얻게 됩니다. 헝겊의 원자를 구성하고 있던 전자는 에너지를 받아 원자 궤도에서 벗어나 플라스틱 쪽으로 이동하게 됩니다.

 

 

정전기의 원리 ⓒ셔터스톡

 

이때 헝겊과 책받침을 분리하면 결과적으로 플라스틱 책받침은 전기적으로 마이너스를 띠게 되고 헝겊은 플러스 성질을 갖게 됩니다. 만약 다시 플라스틱 책받침과 헝겊을 가까이 가져가게 되면 붙어버리게 됩니다. 서로 다른 극을 띠고 있었기 때문에 끌어당기는 힘으로 인해 붙어 버리는 거죠!

 

이런 현상을 응용해 탄생한 발전기가 있으니, 바로 ‘마찰전기를 활용한 나노 발전기’입니다.

 


 

마찰전기를 활용한 나노 발전기 (Triboelectric nanogenerator)

 

Schematic illustration of the structure triboelectric generator ⓒ심재한 

 

 

마찰전기를 활용한 나노발전기(Triboelectric Nano Generator 이하 TENG)는 그림 1 과 같이 생겼습니다. 정전기가 발생하도록 서로 다른 두 물질을 마찰시키는 구조인데요. 그렇기 때문에 위 그림 1을 보면 서로 다른 두 물질(폴리머)인 PET와 KAPTON로 구성되어 있고 이 두 물질은 금속 필름으로 감싸져 있습니다. 더불어 자세히 보면 두 물질 사이에 공간이 존재합니다.

 

작동 방식은 다음과 같습니다. 우선 두 물질을 마찰시키기 위해 발전기 양옆에서 힘을 가해 줍니다(그림 2번). 두 물체에서 마찰이 발생하면, 전자가 이동하면서 두 물체는 서로 다른 극을 띠게 됩니다(그림 3번). 그다음 발전기에 가해지던 힘이 없어지게 되면, 접촉하던 곳에서의 전하로 인해 금속 필름에 정전 유도 현상으로 전하를 띠게 되고 전위차로 인해서 회로를 통해 전류가 흐르게 됩니다! (그림 4번)

 

 

해당 기술 관련 뉴스 ⓒYTN SCIENCE

 

사실 이 마찰전기를 활용한 발전기(TENG)는 아직 해결해야 할 문제점들이 많습니다. 전압은 크게 발생하지만 전류가 매우 적어 아직까지는 전기를 충분히 생산할 수 없거든요. 그렇기 때문에 현재 많은 연구진들이 전류를 더 많이 생산할 수 있는 TENG를 개발하려 연구를 거듭하고 있습니다.

 

이런 단점에도 불구하고 에너지 하베스팅 방식 중에서 가장 주목받는 이유는 무엇일까요? 바로 필요한 전원을 배터리 등의 외부에서 구하지 않아도 반영구적으로 공급할 수 있는 자가 충전(self-powering)이 가능하기 때문입니다. 그렇기 때문에 웨어러블 전자기기나 센서 네트워크, 생체 이식형 소자 등을 구동할 수 있는 에너지원으로 개발하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있습니다.

 


 

‘전기 에너지를 수확하는’ 미래, 곧 다가오겠죠? 차세대 친환경 에너지 발전 방식이 앞으로도 더 많이 개발돼 지구 환경에 긍정적인 영향을 끼쳤으면 좋겠습니다.

 

 

 

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  • 전기사랑 2019.08.22 14:45
    초반 하이퍼링크 )까지 되어 있어서 잘못 연결되네요!

    잘 읽었습니다
  • *아톰 2019.08.25 17:43
    신기술 전기에너지의
    새로운 전기를 맞을 것으로
    전망됩니다
    좋아요

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