KITECH

일상 속 움직임으로, 바이러스 잡는 고전압 플라즈마 만든다

- 생기원, 마찰대전 발전기 출력을 5,000V 이상으로 극대화시킨 원천기술 개발

- 발전기 전극 구조를 마이크로 톱니 형태로 제작, 스파크 방전 효과 최대로 높여

□ 겨울철 옷을 입거나 물건을 만질 때 생기는 일상 속 마찰전기의 원리를 활용하면, 외부 전원 없이 LED 전구에 불을 밝히고 고전압 플라즈마도 만들 수 있다.

ㅇ 이를 위해선 ‘마찰대전 나노발전기(Triboelectric Nanogenerator, TENG)’라고 불리는 별도의 에너지 변환 장치가 필요하다.

ㅇ 이 장치는 서로 다른 두 물질을 마찰시킬 때 접촉 표면에 발생하는 운동에너지를 전기에너지로 변환해주는 역할을 한다.

ㅇ 에너지 하베스팅(Energy Harvesting)*에 속하는 기술로, 열이나 압력을 전기화하는 다른 방식보다 전압 출력이 수백 배 높다는 장점으로 인해 2012년 학계에 처음 공개된 이후 후속 연구가 활발히 이루어지고 있다.

* 사물의 진동이나 인간의 움직임, 빛, 열, 전자기파에서 발생하고 버려지는 에너지를 사용 가능한 전기 에너지로 변환하고 이용하는 것

□ 한국생산기술연구원(이하 생기원, 원장 이낙규)이 한국기술교육대학교, 성균관대학교와 함께 마찰대전 나노발전기의 전극 구조를 마이크로 톱니(Micro-serrated) 형태로 만들고 그 전극의 방전 특성을 이용해 마찰전기의 출력을 극대화할 수 있는 원천기술을 개발했다.

ㅇ 개발된 기술은 기존 연구에서 주목하지 않았던 ‘전극 구조 변화’에 초점을 맞춰 세계 최고 수준의 5,000V 이상 고전압을 구현해냈으며, 이는 2,000V 수준에 머물렀던 유사 연구들보다 2~3배 이상 뛰어난 출력이다.

ㅇ 또한 그 과정을 이론적으로 규명해낸 논문이 2020년 11월 에너지 분야 상위 3%에 해당하는 유명 학술지 ‘Advanced Energy Materials(Impact Factor : 25.245)’에 게재되기도 했다.

□ 생기원 정밀기계공정제어연구그룹 조한철 박사와 한국기술교육대학교 박진형 교수, 성균관대학교 김상우 교수, 김지혜 박사 공동 연구팀은 알루미늄판을 기계 가공할 때 생기는 부산물인 ‘알루미늄 울(wool)’의 재활용을 고민하다가 아이디어를 얻었다.

ㅇ 알루미늄 울의 가장자리는 마이크로미터(㎛) 크기의 톱날 형태가 연속된 구조로 되어 있어, 그 부근에 전극이 접근하면 마치 피뢰침이 번개를 맞는 것처럼 스파크 방전 효과가 발생하게 된다.

ㅇ 이를 유한요소 해석을 통해 확인한 결과, 전극 형태가 뾰족할수록 스파크 방전이 쉽게 이루어지며 출력 또한 극대화된다는 것을 확인했다.

□ 이를 토대로, 연구팀은 어떠한 형태의 마찰대전 나노발전기에서도 출력을 극대화할 수 있는 마이크로톱니 형태의 전극을 만들고 스파크 방전이 지속적으로 일어나게 하는 증폭 장치를 독자적으로 설계·제작해냈다.

ㅇ 제작된 증폭장치는 증폭 전보다 약 25배 이상의 전압 출력과 120배 이상의 전류 상승을 유도하는 효과가 있는 것으로 나타났다.

ㅇ 그리고 이 사실을 5,000V 수준의 고전압 상태를 가시화해 보여주는 크룩스관(Crookes tube)*의 형광체 발광 실험과 진공상태에서 플라즈마가 지속적으로 생성되는 현상을 통해 성공적으로 검증해냈다.

* 높은 전압을 걸었을 때 진공 공간 내 음극에서 나온 전자가 전도성 매개체 없이 양극으로 이동하는 현상을 가시화해 볼 수 있는 방전관

□ 생기원 조한철 박사는 “마찰대전 나노발전기는 고전압 저전류라는 특성상 감전으로부터 안전하고 자가충전 할 수 있어 반영구적으로 활용 가능한 미래기술”이라고 밝히며,

ㅇ “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.

ㅇ 한편, 이번 연구는 한국연구재단에서 주관하는 신진, 기초연구 및 나노미래소재원천기술개발 사업의 지원을 받아 수행됐다.