Triboelectric Nanogenerators: 플라스틱 비드가 웨어러블 기술에 전력을 공급

국제적인 엔지니어 팀이 최근에 에너지 생성 효율을 높이고 제조 비용을 낮추는 새로운 형태의 트리보전기 나노발전기(TENG)를 시연했습니다. 트리보전기화는 정전기로 생성된 전기를 활용하는 것을 의미합니다. 이 깨끗하고 손쉽게 이용 가능한 에너지 원은 언젠가 더 친환경적인 미래를 열 수 있습니다.

전 세계적으로 탄소 순배출 제로 달성을 위한 노력이 강화됨에 따라, 친환경 에너지 대안 개발에 많은 관심이 집중되고 있습니다. 특히 태양광, 풍력, 지열 발전 혁신이 대부분의 헤드라인을 차지하지만, 트리보전기화와 같은 다른 방법도 점차 주목받고 있습니다. 이 기술이 어떻게 향상된 웨어러블을 만들고, 재생 에너지를 생산하며, 보다 안전한 운영의 문을 열 수 있는지 살펴보겠습니다.

트리보전기 나노발전기 (TENGs)

TENG는 재료가 서로 문지르면 발생하는 정전기를 활용합니다. 특정 재료 표면이 특정 물질과 접촉할 때 전하가 생성됩니다. 이 정전기를 강화하면 신뢰할 수 있는 전기 생성이 가능해집니다.

특히 현재의 TENG는 작은 플라스틱 비드에 의존하고 있습니다. 이들 빽빽하게 포장된 비드는 서로 다른 전하를 가지고 있으며, 일부는 음전하, 일부는 양전하를 띱니다. 비드를 문지르면 마찰, 접착, 분리의 조합이 추가적인 표면 접촉을 만들어내어 발전기의 출력이 극대화됩니다.

오늘날 TENG의 문제점

엔지니어가 TENG를 다른 친환경 에너지 솔루션의 신뢰할 수 있는 대안으로 만들기 위해 극복해야 할 여러 미해결 질문과 문제가 여전히 존재합니다. 첫째, 전하 소멸과 이를 제어하는 최적 방법에 대한 이해가 부족합니다. 이러한 지식 격차를 해소해야 TANG의 성능과 신뢰성을 향상시킬 수 있습니다.

출처 – Ignaas Jimidar

최근까지는 트리보전기화에 다양한 재료가 필요하다고 여겨졌습니다. 예를 들어, 폴리테트라플루오로에틸렌과 폴리디메틸실록산이 신뢰할 수 있는 옵션으로 입증되었습니다. 그러나 혁신적인 연구팀이 최신 향상된 TENG 설계를 도입하면서 이 믿음을 반박했습니다.

트리보전기 나노발전기 연구

연구 “Granular Interfaces in TENGs: The Role of Close-Packed Polymer Bead Monolayers for Energy Harvesters”¹은 트리보전기 전하 분산 및 재료 사용의 복잡성을 밝히고자 합니다.

특히 엔지니어들은 거의 동일한 비드를 사용하여 접촉 전기화 거동을 지원하는 새로운 방법을 제시했습니다. 이 접근법은 제조 비용을 낮추고 맞춤화를 가능하게 합니다.

엔지니어들은 두 전극에 단분산 폴리머 비드 단층을 코팅한 입자 기반 TENG를 만들었습니다. 이 용매 없는 설정은 유해 화학 부산물을 제거하고 위험을 최소화함으로써 대안보다 안전하고 효율적입니다.

용매 없는 발생을 달성하기 위해 과학자들은 단분산 비드를 평면 기판에 증착했습니다. 그런 다음 층을 서로 문질러 마찰을 만들었습니다. 비드의 형태가 구르는 마찰을 일으켜 표면 장력을 증가시켰습니다.

올바른 비드 찾기

팀은 다양한 종류의 비드를 사용하는 것이 몇 가지 장점을 제공한다는 것을 발견했습니다. 첫째, 특정 입자 사이의 전기화가 크기, 형태, 변형, 표면 전하 밀도 또는 습도·환경 요인에 의해 발생하는 표면 거칠기의 차이 때문에 개선되었습니다.

엔지니어들은 처음부터 사용되는 비드 종류가 최종 결과에 영향을 미친다는 것을 배웠습니다. 연구 결과는 재료 선택의 작은 변화가 에너지 생성 능력에 큰 영향을 미친다는 것을 보여주었습니다. 따라서 다양한 재료, 크기, 레이아웃을 조사했습니다.

재료

팀은 과정 중에 다양한 폴리머 재료를 테스트했습니다. 폴리머 재료는 자극에 대한 반응성을 제공하고 신뢰할 수 있는 기반을 제공한다는 점을 확인했습니다. 여러 종류의 비드를 배열한 뒤 멜라민‑포름알데히드(MF) 비드에 최종적으로 결정했습니다.

MF 비드는 트리보전기 충전 과정에서 뚜렷한 장점을 보여주었습니다. 첫째, 충전 유지력이 뛰어나고 탄성률이 낮습니다. 또한 가장 높은 탄성 계수와 결합 에너지를 가지고 있습니다.

또한 MF 비드는 PMMA 비드와 같은 특정 재료와 접촉할 때 항상 양전하를 나타내며, 상대적으로 높은 영률(Young’s modulus) 때문에 가장 높은 충전 효율을 보입니다. 영률은 하중이 가해질 때 강성 또는 탄성 변형에 대한 저항을 측정하는 알고리즘입니다.

비드 크기

팀은 다양한 비드 크기도 실험했습니다. 구체적으로 엔지니어들은 직경이 0.5, 3, 10 µm인 단분산 입자를 활용했습니다. 큰 비드는 음전하를 보유할 가능성이 높고, 작은 비드는 양전하를 유지하는 경향이 있었습니다.

단층

비드의 재료, 크기, 간격이 결정된 후 엔지니어들은 해당 재료의 단층을 만들었습니다. 보고서에 따르면 팀은 플루오르카본 코팅 기판 위에서 용매 없는 입자 문지름 조립 기술을 활용했습니다.

레이아웃

이 레이아웃은 과학자들이 입자를 밀집 단층 구성으로 TENG 전극에 활용한 최초 사례였습니다. 이 접근법은 가장 높은 포장 밀도인 육각 밀집(HCP) 구성을 제공하고, 표면 접촉을 늘리면서도 표면적을 감소시켜 비드 간 전하 교환을 촉진합니다.

트리보전기 나노발전기 작동 원리

트리보전기 나노발전기를 작동시키기 위해 문지르는 동작이 시작됩니다. 이 동작은 단분산 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리스티렌(PS), 멜라민 수지(MF) 건조 분말의 단층이 서로 문지르게 합니다. 이 과정에서 비드와 기판 사이에 트리보전기화가 발생합니다.

트리보전기 나노발전기 테스트

엔지니어들은 새로운 발전기의 효율성을 입증하기 위해 여러 테스트를 수행했습니다. 테스트 과정의 일부는 접촉‑분리(CS) 실험을 포함했습니다. 구체적으로 엔지니어들은 켈빈 탐침 힘 현미경(KPFM)과 원자 힘 현미경(AFM)을 활용해 표면 접착, 전기화 현상, 탄성 변형을 모니터링했습니다.

트리보전기 나노발전기 결과

테스트 결과는 이 기술에 큰 가능성을 보여주었습니다. 특히 팀은 표면 지형, 기하학, 접촉 크기, 균일성에 대한 제어를 포함한 새로운 맞춤화 능력을 입증했습니다.

특정 쌍의 표면 전하 밀도가 가장 높은 영률을 가진 작은 비드로 전극을 덮음으로써 향상될 수 있음을 발견했습니다. 팀은 10,000 사이클까지 내구성을 확인했습니다.

발전기는 기대대로 작동하여 성능 저하가 최소화된 청정 에너지를 생산했습니다. 따라서 많은 사람들은 이를 기후 변화와의 전쟁에서 최고의 옵션 중 하나로 보고 있습니다.

트리보전기 나노발전기 혜택

트리보전기 나노발전기가 스마트한 선택이 되는 여러 혜택이 있습니다. 첫째, 현장에서 전기를 생산할 수 있는 비용 효율적이고 친환경적인 옵션을 제공합니다. 최신 TENG 제조 방식은 비용을 더욱 낮출 것으로 기대됩니다.

내구성

새로운 TANG 레이아웃의 또 다른 장점은 특정 분말을 표면에 문지르면 원래 상태로 복원할 수 있다는 점입니다. 이 기능은 트리보전기 나노발전기가 경쟁 제품보다 오래 지속되고 유지보수 비용을 전반적으로 낮출 수 있음을 의미합니다.

제조

이 설계는 용매 없이 저비용·지속 가능한 TENG 제조를 지원합니다. 이 접근법은 더 빠르고 깨끗합니다. 또한 오염을 줄이고 최종 제품을 맞춤화할 수 있습니다. 엔지니어는 단층을 제작해 새로운 섬유 구조에 통합할 수도 있습니다.

트리보전기 나노발전기 실제 적용 및 타임라인:

트리보전기 나노발전기는 여러 산업을 뒤흔들 수 있습니다. 첫째, 자체 전원을 공급하는 전자기기의 구현은 게임 체인저가 될 것입니다. 이는 배터리와 같은 전통적인 에너지 원에 대한 의존도를 낮추고, 더 작은 폼 팩터에 맞는 깨끗한 대안을 제공합니다. 엔지니어에 따르면 기술이 성숙함에 따라 상용화는 향후 3~5년 내에 나타날 수 있습니다.

에너지 수확

이 기술의 주요 활용 중 하나는 에너지 수확입니다. 이 기술은 가정이나 전자기기에 통합되어 충전 필요성을 없앨 수 있습니다. 모든 전자기기가 배터리, 콘센트, 외부 전원 없이 작동한다고 상상해 보세요. 이러한 접근법은 채택을 촉진하고 새로운 기술 시대를 열 수 있습니다.

트리보전기 나노발전기는 다른 친환경 에너지 솔루션의 표면에 적용되어 결과를 향상시킬 수 있습니다. 예를 들어, 회전하는 날개와 공기 사이의 정전기로 전기를 생산하는 풍차를 상상해 보세요. 동일한 기술은 모터 회전 시에도 에너지 생산을 돕습니다.

스마트 의류

이 기술을 활용한 스마트 의류에 대한 논의가 활발합니다. 착용자가 입을 때 발생하는 전기로 스스로 가열되는 코트를 생각해 보세요. 혹은 스마트폰을 신발의 충전 포트에 연결할 수 있다고 상상해 보세요. 트리보전기 나노발전기를 활용하면 이러한 모든 것이 가능합니다.

일상 의류에 대해서는 부가적인 이점이 있습니다. 그러나 탐험과 같은 고위험 상황에서 자체 전원을 공급하는 스마트 의류는 큰 혜택이 됩니다. 이는 편안함을 보장하고 불필요한 부상을 방지하며, 항상 적절한 안전 조치를 유지하도록 도와줄 수 있습니다.

전기차(EV)

전기차는 이 장치를 통합함으로써 성능이 크게 향상될 수 있습니다. 트리보전기 발전기는 현장에서 정전기로 무배출 에너지를 생산하므로, 오늘날 차량에 존재하는 복잡한 배선 하니스보다 더 신뢰성 높고 간단한 대안을 제공합니다. 미래에는 이러한 유닛이 중앙 배터리 전원 없이 자체 전원 공급이 가능해질 것입니다.

트리보전기 나노발전기 연구자

Vrije Universiteit Brussel, Riga Technical University, Royal Melbourne Institute of Technology, 그리고 University of Twente의 MESA+ Institute 소속 화학공학부 연구원들이 Dr. Ignaas Jimidar( VUB) 주도로 이 연구를 수행했습니다.

현재 팀은 효율성과 제조 공정을 개선하여 대규모 적용을 가능하게 하려 하고 있습니다. 목표는 다양한 재료와 형태에 대한 연구를 지속하고, 전략적 파트너십을 통해 이 기술을 실제 제품에 통합하는 것입니다.

혁신적인 기업이 앞장서다

자체 전원을 공급하는 전자기기와 대체 에너지 솔루션이 지속적으로 발전함에 따라, 무선 에너지 전송 분야의 선두 기업들도 큰 진전을 이루고 있습니다. 트리보전기 나노발전기가 지속 가능한 전력 생산을 위한 유망한 길을 제시하는 한편, 다른 기업들은 무선 충전 기술을 혁신하여 에너지 활용과 배분의 경계를 넓히고 있습니다.

깨끗한 에너지를 대중에게 제공하기 위한 경쟁이 치열합니다. 기업들은 기후 피해를 방지할 수 있는 녹색·재생 에너지 솔루션에 지속적으로 투자하고 있습니다.

트리보전기 나노발전기가 일상 생활에 새로운 가능성을 열어 밝은 미래를 약속합니다. 다음은 전통적인 에너지 원에 대한 의존을 없애는 새로운 방법을 지속적으로 창출하는 기업 중 하나입니다.

Energous Corporation

Energous Corporation (WATT )는 2012년 DvineWave Inc.로 시장에 진입했습니다. 이 회사는 캘리포니아 주 산호세에 위치하며, 무선 충전 솔루션 및 인프라를 제공하기 위해 설립되었습니다. 오늘날 녹색 에너지 분야의 선도적인 혁신 기업 중 하나로 인정받고 있습니다.

Energous Corp는 시장에서 인지도를 높인 여러 제품을 보유하고 있습니다. 가장 인기 있는 WattUp 무선 전력 기술은 신뢰할 수 있는 충전을 제공하며, 무선 전력 네트워크 기술(WPNT)도 제공하는데 여기에는 소프트웨어 제어, 하드웨어 설계, 안테나, 반도체 칩셋이 포함됩니다.

특히 Energeous는 무선 기술 분야에서 200개 이상의 특허를 보유하고 있습니다. 또한 원거리 무선 충전을 위한 FCC Part 18 인증을 최초로 획득한 기업이기도 합니다. 이러한 요소들과 검증된 실적이 결합되어 WATT는 추가 연구 가치가 높은 스마트 주식으로 평가됩니다.

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트리보전기 나노발전기 – 배터리를 다시는 사지 마세요

고성능 정전기를 활용한 에너지 생성은 분석가와 엔지니어 모두에게 큰 기대를 안겨줍니다. 자체 전원을 공급하는 웨어러블과 같은 고성능 기술 도입은 전 세계에 더 많은 모니터링 및 통신 기능을 제공할 것입니다. 따라서 이 엔지니어들의 노력은 칭찬받아 마땅합니다.

다른 나노기술에 대해서는 여기에서 확인하세요.

참고 연구:

^{1. Jimidar, I., Umanzor, L. E., Ibáñez, J. G., Srivastava, P., Geng, Z., Ruzmetov, D., … & D’Haen, J. (2024). TENG의 입자 인터페이스: 에너지 수확기를 위한 밀집 폴리머 비드 단층의 역할. Small, 20(10), 24010155. https://doi.org/10.1002/smll.202410155}