사진설명. 왼쪽부터 이상민 교수, 송명환 학생, 정지훈 박사 연구원

기계공학부 이상민 교수와 4학년에 재학 중인 송명환 학생, 정지훈 박사 연구원의 논문이 피인용 지수(Impact Factor) 17.881을 기록한 SCI급 학술지 ‘나노 에너지(Nano Energy)’에 게재됐다.

송명환 학생이 제1저자를 맡은 해당 논문의 주제는 반고체 윤활제를 적용한 볼 베어링 정전 소자 개발이다.

‘정전 소자(Triboelectric Nanogenerator)’는 서로 다른 물질의 표면이 마찰할 때 일어나는 정전기와 정전기 유도 현상을 이용해 에너지를 발생시키는 장치를 뜻한다. 간단한 제조공정과 저렴한 제작 비용, 높은 전력밀도 등 장점이 많아 미래 에너지 수확 소자로 전 세계적인 주목을 받고 있다.

정전 소자는 접촉 대전과 정전기 유도를 조합해 기계적 에너지를 변환하는 원리로 작동한다. 버려지는 에너지로 전기를 생산해 공급하는 에너지 수확(Energy Harvesting) 기술에서도 중요한 역할을 한다.

문제는 에너지 변환 과정에서 두 재료 사이 접촉으로 인해 마모가 발생하며, 발전 중 기계적 고장으로 이어질 수 있다는 점이다. 또한, 마찰 대전 시 발생하는 높은 표면 전하가 공기의 항복 현상으로 이어져 전기적 출력이 제한되는 한계도 지녔다.

사진설명. 반고체 윤활제를 적용한 볼 베어링 형태의 정전 소자

연구팀은 이러한 문제를 극복하기 위해 반고체 윤활제를 적용한 볼 베어링 정전 소자를 개발했다. 새롭게 개발한 발전소자는 베어링의 공이 회전할 때 PTFE(폴리테트라플루오로에틸렌) 공의 표면 전하가 스테인리스 공에 집중되도록 유도한다. 이를 통해 스테인리스 공이 전극과 접촉할 때 방전이 발생해 전기를 생산하도록 만든다.

연구팀은 이번 연구를 통해 공에 도포한 반고체 윤활제가 방전 시 발생하는 공기 항복 현상을 방지해 출력을 높이고, 마찰 마모와 열을 줄여 발전소자의 기계적·전기적 수명도 향상시킨다는 점을 발견했다.

자세한 연구 성과는 ‘전류 증폭, 기계적 수명 향상, 열 안정화를 위한 반고체 윤활제 기반 볼 베어링 정전 소자(Semisolid-lubricant-based ball-bearing triboelectric nanogenerator for current amplification, enhanced mechanical lifespan, and thermal stabilization)’ 논문을 통해 확인 가능하다.

연구팀을 지도한 이상민 교수는 “이번에 개발한 기술은 기존 정전 소자의 고질적인 한계를 극복하는 것은 물론 기계적 내구성과 전기적 출력을 크게 향상시킬 수 있어 많은 응용사례가 기대되는 성과”라고 전했다.