12만회 반복 마찰·습도 99%에도 성능 유지…산업현장 활용 기대
성균관대학교(총장 유지범)는 신소재공학부 백정민 교수 연구팀이 마찰전기를 안정적인 직류 전력으로 변환하는 고효율 발전기를 개발하고, 배터리 없이 작동하는 사물인터넷(IoT) 센서 시스템을 구현했다고 밝혔다.
마찰전기 발전기는 물체의 접촉과 마찰에서 발생하는 정전기를 전기에너지로 바꾸는 기술이다. 기존 발전기는 교류(AC) 출력이 불안정하고 직류(DC) 변환 과정에서 에너지 손실이 발생하는 한계가 있었다.
연구팀은 마찰로 발생한 전하가 세라믹 소재 내부에 전기적 분극을 유도하는 원리를 활용하고, 전자가 한 방향으로 흐르도록 전극을 설계해 별도 정류장치 없이 직류를 생산하는 발전기(TDCG)를 구현했다. 출력 변동을 나타내는 파고율도 1.143까지 낮췄다.
티탄산바륨 세라믹 입자와 기능성 고분자를 결합한 복합소재를 적용해 내구성도 높였다. 12만회 이상의 반복 마찰에도 성능을 유지했으며 상대습도 99% 환경에서도 25시간 동안 안정적으로 전력을 생산했다.
연구팀은 문을 여닫는 움직임으로 전기를 생산해 문 개폐 감지, 온도 측정, 블루투스 기반 위치 추적 기능을 수행하는 자가발전 IoT 시스템도 시연했다. 배터리 교체가 어려운 스마트 물류와 신선식품 운송, 산업시설 안전 점검 등에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
백정민 교수는 “기존 마찰전기 발전 기술의 약점인 불안정한 출력과 전력 변환 손실 문제를 새로운 물리적 원리와 소재 기술로 해결했다”며 “배터리 없는 IoT 센서망의 산업현장 보급을 위한 실용화 연구를 이어가겠다”고 말했다.
이번 연구는 과학기술정보통신부의 지원을 받아 수행됐으며 국제학술지 '에너지 앤드 인바이런멘털 사이언스(Energy & Environmental Science)'에 게재됐다.
권상희 기자 shkwon@etnews.com
