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기계공학부 이상민 교수팀, 미세플라스틱 환경문제 해결책 제시... 미세플라스틱 기반 나노 발전기 개발

관리자 2023-08-08 조회 709

우리 대학 기계공학부 이상민 교수 연구팀이 노화 미세플라스틱으로 인해 촉발된 환경문제를 극복할 수 있는 근본적인 해결책을 제시했다. 연세대 홍진기 교수팀과의 공동연구를 통해 미세플라스틱을 활용해 전기에너지를 수확하는 정전 소자를 개발하는 데 성공한 것.


(왼쪽부터) 차경환 석박사통합과정생, 연세대 홍진기 교수, 기계공학부 이상민 교수


이번 연구의 골자는 5mm 미만의 작은 플라스틱 알갱이인 미세플라스틱을 친환경 에너지 하베스팅 시스템의 구성 재료로 활용해 전기에너지를 수확하는 메커니즘을 구현함으로써 폐자원 에너지화(Waste-to-Energy)를 달성했다는 점이다. 재질에 따른 플라스틱 분류, 후처리, 노화에 의한 출력감소를 고려하지 않고, 아주 간단한 제조 방식과 구조를 통해 전기에너지를 수확할 수 있게 됐다.


미세플라스틱은 그간 환경오염을 일으키는 주범 중 하나로 지목돼 왔다. 산업화 이후 플라스틱 사용량이 급증하면서 무수히 많은 경로를 통해 발생·배출되고 있는 미세플라스틱은 해양·대기·토양의 오염을 가져오며, 인간의 건강에도 위험을 초래한다. 


안전한 미세플라스틱 폐기와 처리에 관한 연구가 국내외에서 활발히 이뤄지고 있지만, 기존 미세플라스틱 처리 방식들은 불완전하다는 평을 들어 왔다. 안정적이지 못한 출력 생산, 후처리 필요, 처리 과정에서의 환경오염 등 문제점이 많았기 때문이다. 공동연구팀이 개발한 이번 기술은 다량의 미세플라스틱을 추가 처리 없이 에너지 개발원으로 사용 가능한 정전 소자(Triboelectric Nanogenerator) 시스템이기에 기존 방식과 궤를 달리한다. 


정전 소자는 마찰대전 효과와 정전기 유도 원리를 활용해 기계적 에너지를 전기에너지로 변환하는 기술이다. 플라스틱의 고유 특성을 활용하며 단순한 발전 메커니즘과 제작 방법으로 높은 전력밀도의 에너지를 생산할 수 있기에 차세대 에너지 소자가 되기에 충분하다는 평가다. 


공동연구팀이 개발한 미세플라스틱 기반 정전 소자의 가장 큰 특징이자 장점은 플라스틱 종류와 노화 시간에 상관없이 사용 가능하다는 점이다. 미세플라스틱 가운데 가장 많은 비중을 차지하는 PP, PS, PET, 플라스틱 혼합물을 가리지 않고, 동일한 메커니즘으로 전기적 출력을 발생시킬 수 있다. 실험 결과 9년 노화 플라스틱으로 15만 사이클을 구동해도 출력감소 없이 장기적 사용이 가능함도 확인했다. 완전히 막힌 실린더 구조이기에 추가 오염 없이 전력 생산이 가능하다는 것도 장점으로 꼽힌다. 


미세플라스틱을 활용한 정전 소자의 전기 출력은 일상생활 속에서 사용되기에 충분했다. 전기 출력을 일으켜 축전기를 충전한 결과 300개의 LED, 상용 온-습도계, 수질오염 센서 등을 가동할 수 있다는 점도 이번 연구를 통해 확인됐다. 



이번 연구는 한국연구재단이 주관하는 기초연구실 및 중견연구사업, 환경부 주관 생태모방 기반 환경오염관리 기술개발사업의 지원을 받아 진행된 것이다. 상세한 내용은 ‘노화 미세플라스틱 기반 지속가능한 마찰전기 나노발전기 개발(Sustainable utilization of aging-deteriorated microplastics as triboelectric nanogenerator)’ 논문을 통해 확인 가능하다. 


이상민 교수 연구실의 차경환 석박사통합과정생, 홍진기 교수 연구실의 조성은 석박사통합과정생이 이번 논문의 제1저자를 맡았다. 2022년 화학 공학(ENGINEERING, CHEMICAL) 부분 JCR 상위 3.2%에 해당하며, 지난해 피인용도(Impact Factor) 15.1을 달성한 국제 저명 학술지 ‘Chemical Engineering Journal’에 논문이 게재됐다. 


이상민 교수는 “이번 연구성과는 미세플라스틱이 버려지면서 발생하는 여러 환경문제를 근본적으로 극복해 낼 수 있는 하나의 솔루션이 될 것”이라며 “급증하는 미세플라스틱 폐기량을 효과적으로 통제할 수 있다는 점에서 지속가능한 발전을 위한 중요한 기술적 발견”이라고 말했다.