사진설명. (왼쪽부터) 정세훈 박사과정생, 허지웅 박사과정생, 이상민 교수

우리 대학 연구진이 약한 움직임이나 낮은 풍속에서도 높은 출력을 낼 수 있는 ‘비접촉식 정전소자’를 개발하는 데 성공했다.

기계공학부 이상민 교수 연구팀이 금오공대 정지훈 교수, 연세대 홍진기 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 방전 현상에서 나타나는 전자 증식 현상을 이용해 비접촉식 움직임에서도 고출력 발전이 가능한 ‘고출력/고효율 비접촉식 정전소자’를 개발했다.

연구팀은 비접촉식 구조에서 폴리머 층 표면의 정전기 유도 현상을 분석하여 이온화 게이트를 연결했을 때 방전을 통해 전압 증폭과 전자 증식 현상이 발생한다는 점을 확인했다. 단일 층 기준으로 최대 1.5kV, 2.5A의 피크 전압 및 전류를 발생시킬 수 있으며, 층을 쌓는 형태로 구조를 확장하면 같은 입력 에너지에도 더 높은 전기 출력이 가능해 최고 21.2W/m2의 전력밀도를 지니는 정전소자도 구현할 수 있었다.

해당 소자는 비접촉식 구조로 약한 움직임에도 작동 가능하다. 연구진은 낮은 풍속에도 높은 효율을 가지는 사보니우스형 풍력 블레이드를 적용한 풍력 발전소자를 개발했다. 해당 풍력 발전소자는 매우 낮은 바람 속도(4m/s 이하)에서도 높은 전력 출력이 가능하며, 3m/s의 바람 속도에서는 최대 46.9mW, 4m/s에서는 최대 168.6mW의 전력을 생산했다. 또한, 개발된 발전소자를 통해 상용 센서 및 3000개의 LED 구동을 확인하였으며, 생산된 전력으로 수소를 생산할 수 있는 가능성도 확인했다.

그림설명. 고출력 비접촉식 정전소자의 구조 모식도

이 연구는 한국연구재단의 중견연구 사업, 산업통산자원부의 수요기업 맞춤형 고출력축전기(슈퍼커패시터) 성능 고도화 기술개발 사업의 연구비를 지원받아 이루어졌으며, 상세 내용은 ‘Reaching New Efficiency Milestones in Low-Speed Wind Energy Harvesting via Noncontact Stackable Ion-Gate-Based Static Discharge Generator’ 논문을 통해 확인 가능하다.

해당 논문은 2023년 피인용 지수(Impact Factor) 24.4를 기록한 국제 저명 학술지 ‘Advanced Energy Materials’에 온라인 게재됐다. 이상민 교수 연구실 소속 기계공학과 정세훈 박사과정, 허지웅 박사과정이 공동 제1저자에 이름을 올렸다.

이상민 교수는 “이번 연구 성과는 낮은 입력 에너지에서도 큰 출력을 발생시킬 수 있는 고효율 발전소자에 대한 연구로 이 연구를 통해 보여준 풍력 발전 뿐만 아닌 다양한 분야에서 응용이 기대되는 신기술”이라고 전했다.