물 구동 트리보전기 나노발전기 설명

에너지 안보, 비용 절감 및 환경 문제에 대한 필요성에 의해 구동되어, 지속 가능한 에너지 솔루션에 대한 수요가 크게 증가하고 있습니다.

이로 인해 연구원들은 주변 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환하는 에너지 수확 기술을 개발하게 되었습니다. 이러한 기술은 전력 생산, 운송 및 전자기기와 같은 응용 분야에서 중요한 역할을 할 잠재력을 가지고 있습니다.

이러한 기술 중에서 트리보전기 나노발전기(TENG)는 주변의 움직임과 진동과 같은 기계적 에너지를 활용하는 유망한 수단으로 부상하고 있습니다.

그 결과, 많은 연구자들이 실제 적용을 위한 에너지 출력, 내구성 및 확장성을 개선하기 위해 새로운 재료, 설계 및 메커니즘을 탐구하고 있습니다.

올해 초, 앨라배마 대학교 연구진은 이러한 장치를 사용해 전기를 생성하는 방법을 시연했습니다. 핵심은 비싼 특수 제작 재료 대신 저렴하고 상점에서 구입할 수 있는 견고한 테이프와 플라스틱 및 알루미늄을 사용한 것이었습니다.

이 개선된 TENG 버전¹은 테이프의 압력 감지 아크릴 접착층과 폴리프로필렌 백킹 사이의 상호 작용을 활용하여 최대 53밀리와트의 전력을 생성합니다. TENG는 진동 플레이트 위에 배치되어 두 층이 반복적으로 접촉하고 분리되면서 전기를 생성합니다.

350개 이상의 LED와 레이저 포인터를 밝히기에 충분한 전력을 만들 뿐만 아니라, 이 장치는 음향 센서와 자체 전원 착용형 장치에도 통합되었습니다.

작은 플라스틱 비드를 사용해 전기를 생성한 연구²에서는 비드를 표면에 가깝게 배치한 뒤, 동일한 비드가 있는 다른 표면과 접촉시켜 일반보다 더 많은 전기를 생산했습니다.

비드의 크기와 재료가 여기서 중요하다는 것이 밝혀졌으며, VUB의 주저자인 Dr. Ignaas Jimidar는 “재료 선택의 작은 변화가 에너지 생성 효율에 큰 개선을 가져올 수 있다”고 언급했습니다. 이는 전통적인 에너지 원에 의존하지 않고 일상 생활에서 TENG의 새로운 가능성을 열어줍니다.

이러한 발견과 진보는 연구자들이 TENG 기술의 변혁적인 응용을 위한 길을 닦고 있음을 보여줍니다.

트리보전기 나노발전기를 최초로 시연한 Zhong Lin Wang에 따르면, 트리보전기 나노발전기는 에너지 민주화 추진에 핵심적일 수 있습니다.

“일상적인 물리적 행동을 활용함으로써 전자기기가 자체 전원을 공급받게 되어 중앙 전력망에 의존할 필요가 없어집니다. 이러한 ‘주변 에너지 수집’은 지속 가능성, 개인 맞춤형 의료, 사물인터넷 등 여러 글로벌 트렌드와 밀접하게 맞물립니다.”라고 Wang은 인터뷰에서 말했습니다.³ “TENG는 이미 저전력 분산 센싱에 적합하지만, 그 진정한 혁신은 향후 대규모 에너지 수확 및 인간‑기계 시너지에 있습니다.”

트리보전기 나노발전기(TENG)가 움직임을 전기로 변환하는 방법

트리보전기 나노발전기에 대한 연구가 가속화됨에 따라, 최근의 진보는 이 장치들이 수확할 수 있는 범위를 미세한 진동 및 신체 움직임에서부터 바람, 물방울, 유체 흐름과 같은 환경적 힘까지 확대했습니다.

그렇다면 이러한 트리보전기 나노발전기(TENG)는 어떻게 작동할까요? 이들은 접촉 전기화와 정전기 유도를 통해 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환합니다.

접촉 전기화는 두 표면이 접촉할 때 전하가 이동하여 한쪽은 양전하, 다른 쪽은 음전하가 되는 현상을 말합니다. 반면 정전기 유도(또는 정전기 영향)는 직접 접촉 없이 전하가 재분배되는 과정입니다.

TENG의 장점은 높은 순간 전력 밀도, 다양한 재료와의 호환성, 그리고 확장성입니다. 전력원, 블루 에너지, 자체 전원 센서 등 다양한 분야에 적용되어 착용형 전자기기, 자체 전원 센서 및 대규모 에너지 네트워크에 성공적으로 통합되었습니다.

하지만 기존 전력 시스템과의 통합, 장기 안정성, 전하 전달 및 변환 효율 측면에서 여전히 과제가 남아 있습니다.

실제로 사용되지 않거나 낭비되는 에너지를 효과적으로 수확, 활용 및 변환하기 위한 다양한 TENG 전략이 존재합니다. 그 중 유망한 전략은 고체‑액체 TENG로, 기존 고체‑고체 TENG와 달리 간단하고 비용 효율적인 설계, 향상된 전하 전달 효율, 자체 복구 능력, 장기 내구성 및 동적 환경에 대한 적응성을 제공합니다.

연구에 따르면 소수성 표면이나 이온 용액과 같은 재료 및 액체를 변형함으로써 트리보전기 출력이 증가하고 수계 및 바이오메디컬 환경에서 에너지 수확의 새로운 길이 열릴 수 있습니다.

올해 초, 연구팀은 액체‑고체 TENG를 이용해 해양 파도에서 ‘블루 에너지’를 포착하는 방법을 시연했으며, 낮은 에너지 출력 문제를 극복하기 위해 에너지 수집 전극의 위치를 최적화했습니다.

16인치 투명 플라스틱 튜브에 한쪽 끝에 구리 호일 전극을 부착해 TENG를 만들었습니다. 튜브를 물로 1/4 정도 채운 뒤 양쪽 끝을 밀봉하고, 전극을 외부 회로와 연결하는 전선을 연결했습니다. 이후 이 장치를 작업대 흔들기에 올려 물이 앞뒤로 움직이며 전류를 생성하도록 했습니다.

이 최적화된 설계는 에너지 변환 효율을 2.4배 향상시켰으며 35개의 LED를 깜빡이게 할 수 있었습니다.

몇 년 전의 또 다른 실험에서 연구자들은 해조류 형태의 TENG를 제작해 해안선에서 배터리 의존도를 줄일 수 있는 잠재력을 입증했습니다.

그들은 두 종류의 폴리머를 1.5인치 × 3인치 크기의 스트립으로 만든 뒤 전도성 잉크로 코팅하고, 그 사이에 작은 스펀지를 끼워 얇은 공기 간격을 만들었습니다. 전체 유닛을 밀봉해 TENG를 형성했으며, 장치가 물속에서 위아래로 움직이면 스트립이 앞뒤로 휘어 전기를 생성했습니다.

해안 지역의 수중 압력에서 TENG가 물에 잠기면 공기 간격이 감소했지만, 여전히 100 kPa에서 전류를 생성했습니다. 또한 파도 탱크를 이용해 여러 개의 TENG를 미니 수중 전력소로 활용해 30개의 LED 또는 작은 깜빡이는 등대 LED 비콘에 전력을 공급할 수 있음을 시연했습니다.

스크롤하려면 스와이프 →

물, 나노다공성 실리콘 및 압력을 이용한 TENG 에너지 수확

현재 유럽 연구팀은 액체‑고체 TENG의 특정 응용인 침입‑추출 트리보전기 나노발전기(IE‑TENG)에 주목하고 있습니다.

이 시스템은 비습윤 액체, 즉 물과 폴리에틸렌이미드(PEI) 용액, 그리고 나노다공성 실리콘 모놀리트를 활용합니다.

재료의 소수성 나노다공성 구조를 활용함으로써, 제한된 공간으로 액체를 들어가고 나오는 제어된 움직임을 통해 전하 축적 및 재분배가 일어나 전류와 전압의 변동을 일으키며, 이를 에너지 변환에 활용할 수 있습니다.

IE‑TENG의 주요 장점은 전통적인 TENG가 겪는 재료 간 제한된 접촉 면적이라는 핵심 제한을 극복할 수 있다는 점입니다. 수백에서 수천 제곱미터/그램에 이르는 표면적을 가진 나노다공성 재료를 사용함으로써 IE‑TENG는 면적당 에너지 밀도와 전반적인 성능을 크게 향상시킬 수 있습니다.

한편, 나노다공성 실리콘 모놀리트는 의료, 광학, 전자 및 기계 분야에서 널리 연구되어 왔기 때문에 활용되었습니다. 이들은 연구자들에게 다음과 같은 주요 이점을 제공했습니다.

여기에는 도핑된, 즉 전도성인 다공성 실리콘이 포함되며, 이는 침입‑추출 과정에서 전하 전달 및 수집을 향상시켜 전기 출력 효율을 개선합니다. 나노다공성 실리콘 모놀리트를 소수성 표면으로 전환할 수도 있는데, 이는 침입‑추출 기반 에너지 생성에 필수적입니다.

연구에 따르면 다공성 실리콘 모놀리트는 차세대 IE‑TENG에 유망한 후보이며, 순간 전력 밀도가 3자승(1000배) 증가하고, 침입‑추출 사이클당 에너지가 2자승(100배) 증가했습니다.

연구진은 지속적인 발전을 통해 다공성 전도성 재료를 활용한 IE‑TENG가 착용형 전자기기와 산업 에너지 회수 응용 분야에서 “고성능, 자가 지속 에너지 수확 시스템”에 대한 실현 가능한 대안이 될 수 있다고 믿습니다.

유럽 과학자 팀이 개발한 새로운 기계적 에너지 전기 변환 방식은 실리콘 기공에 가두어진 물을 작동 유체로 사용합니다.

‘소수성 나노다공성 실리콘 모놀리트에서 비습윤 액체 침입‑추출 중 트리보전기 현상’이라는 연구에서, 물 저항성 나노다공성 실리콘 모놀리트 내 물의 주기적 침입 및 추출이 정량적인 전력을 생성할 수 있음을 입증했습니다.

새로운 시스템인 IE‑TENG는 함부르크 공과대학(TUHH) 및 독일 전자 싱크로트론(DESY), 이탈리아 페라라 대학교, 스페인 CIC energiGUNE, 라트비아 리가 기술대학, 폴란드 카토비체 실레지아 대학교가 협력해 개발되었습니다. 이 시스템은 압력을 이용해 물을 나노미터 크기의 기공 안팎으로 반복적으로 밀어넣습니다.

이 과정에서 고체와 액체 사이의 계면에서 전하가 생성됩니다. 흥미롭게도 이는 일상에서 흔히 볼 수 있는 마찰 전기의 한 형태로, 물에 강한 PVC 카펫 위를 신발을 신고 걸을 때와 같습니다.

이는 트리보전기 효과에 의해 발생하는 정전기의 흔한 예시입니다. 또 다른 예는 문 손잡이를 만졌을 때 작은 전기 충격을 받는 경우이며, 몸에 축적된 전하가 금속 손잡이와 같은 전도체를 통해 급격히 방전됩니다.

새로 개발된 시스템의 경우, 최대 9%의 에너지 전환 효율을 달성했습니다.

“순수한 물도 나노 규모로 제한되면 에너지 전환을 가능하게 할 수 있습니다.”라고 TUHH와 DESY의 BlueMat: Water-Driven Materials Excellence Cluster 대변인인 Patrick Huber 교수는 말했습니다. 그의 목표는 물과의 상호작용을 통해 특성이 변하는 자연 영감의 지속 가능한 새로운 소재 클래스를 개발하는 것입니다.

– Dr. Luis Bartolomé, CIC energiGUNE

여기서 재료 설계가 핵심이었으며, 전기 전달을 허용하고 나노미터 규모의 기공을 가지며 물에 의해 밀려나는 특성이 필요했습니다.

“핵심 단계는 전도성, 나노다공성 및 소수성을 동시에 갖춘 정밀 설계된 실리콘 구조를 개발하는 것이었습니다.”라고 함부르크 공과대학의 Manuel Brinker 박사는 설명했습니다. 이 구조는 기공 내부의 물 움직임을 제어할 수 있게 하여 에너지 변환 과정을 안정적이고 확장 가능하게 만들었습니다.

연구진이 분말 기반 IE‑TENG 대신 단일체 실리콘 구조를 사용함으로써 보다 효율적이고 재현 가능한 에너지 수확이 가능해졌습니다. 또한 순간 전력 밀도와 사이클당 에너지에서 상당한 개선을 이루었습니다.

팀은 또한 기공 크기와 전체 기공 부피가 트리보전기 성능을 좌우하는 두 주요 요인임을 확인하고, 이러한 구조적 특성 최적화의 중요성을 강조했습니다.

또한 분석 결과, 높은 압축 속도가 전력 생성량을 증가시키고, 액체 매체 선택이 트리보전기 효율을 크게 향상시켰습니다. 특히 0.1% 폴리에틸렌이미드(PEI) 용액을 사용함으로써 고체‑액체 TENG에서 최고 보고된 에너지 전환 효율(9%)을 달성했습니다.

이러한 발견을 바탕으로 팀은 고체‑액체 트리보전기 에너지 수확을 더욱 최적화하기 위한 강력한 기반을 제공하고자 합니다. 연구진에 따르면 향후 연구는 액체 선택, 기공 구조 설계, 실리콘 모놀리트 표면 개질에 초점을 맞춰야 합니다.

이 기술은 자체 전원 센싱 시스템, 착용형 전자기기 및 환경 에너지 수확 분야의 응용을 위한 길을 열어줍니다.

과학자들에 따르면, 이는 “자율적이며 유지보수가 필요 없는 센서 시스템”의 길을 엽니다.

따라서 이 기술은 스마트 의류에서 물 감지 및 건강 모니터링에 적용될 수 있습니다. 또한 움직임이 직접 전기 신호를 생성하는 햅틱 로보틱스에도 활용될 수 있습니다. 더 나아가 차량 충격 흡수기와 같이 높은 기계적 압력이 요구되는 응용에도 적합합니다.

“물 구동 소재는 새로운 세대의 자가 지속 기술의 시작을 알립니다.”라고 페라라 대학교의 Simone Meloni 교수와 CIC energiGUNE의 Yaroslav Grosu 박사는 밝혔습니다.

최근에 다룬 바와 같이, 이러한 ‘자연 통합’ 설계 접근법은 물의 전기적 및 구조적 특성을 활용한 새로운 물 통합 부양형 DEG(W‑DEG)를 개발하는 데에도 적용되었습니다. ‘자유 물’을 재료로 사용함으로써 W‑DEG는 무게와 재료 비용을 크게 낮추고, 육지 없는 응용에 높은 잠재력을 가지며, 다양한 작업 조건에서도 뛰어난 확장성과 내구성을 보여줍니다.

에너지 수확 반도체에 투자하기: TXN 사례

이러한 특정 실리콘 모놀리트는 아직 연구 단계에 있지만, 저전력 에너지 관리라는 근본적인 트렌드에 투자하려는 투자자들은 텍사스 인스트루먼츠(Texas Instruments Incorporated) (TXN )가 핵심 기업인 기존 반도체 시장에 주목해야 합니다. 이 기업은 저전력 마이크로컨트롤러, 전력 관리 IC 및 아날로그/혼합 신호 솔루션을 공급합니다.

글로벌 반도체 기업은 자동차, 기업 시스템, 개인 전자기기, 통신 장비 및 산업용 애플리케이션을 위한 아날로그 및 임베디드 프로세싱 칩을 설계·제조합니다.

포트폴리오는 전력 스위치, AC/DC 및 격리형 DC/DC 스위칭 레귤레이터, DC/DC 스위칭 레귤레이터, 전압 기준, 배터리 관리 솔루션 등 다양한 전압 레벨의 전력 요구를 관리하도록 설계되었습니다.

텍사스 인스트루먼츠는 건전한 재무 상태를 자랑합니다. 2025년 3분기 매출은 47억 4천만 달러로 전분기 대비 7%, 전년 대비 14% 증가했으며, 모든 최종 시장에서 성장했습니다. 아날로그 매출은 전년 대비 16% 성장했으며, 임베디드 프로세싱은 9%, ‘기타’ 부문은 11% 성장했습니다.

수익성 측면에서 TI는 해당 분기에 순이익 13억 6천만 달러와 희석 주당 순이익 1.48달러를 기록했습니다. 최근 12개월 동안 영업 현금 흐름은 69억 달러, 자유 현금 흐름은 24억 달러로, 대규모 자본 지출과 주주 환원을 지원하면서도 R&D에 투자할 수 있는 능력을 보여줍니다.

“지난 12개월 동안 69억 달러의 영업 현금 흐름은 우리 비즈니스 모델의 강점, 제품 포트폴리오의 품질, 그리고 300mm 생산의 이점을 다시 한 번 강조했습니다.”

– CEO Haviv Ilan

2025년 3분기 동안 TI는 약 12억 달러의 배당금을 지급하고 약 1억 1,900만 달러의 자사주를 재매입했으며, 지난 12개월 동안 주주에게 66억 달러를 반환했습니다. 9월에는 주당 1.42달러로 4% 배당금을 인상했으며, 이는 22년 연속 배당 성장입니다.

2025년 11월 말 현재 TXN은 160달러 중반대에 거래되고 있으며, 2025년 7월에 기록한 52주 최고가 221.69달러 대비 약 25~30% 낮은 수준입니다. 주가가 그 최고점에서 하락하고 지난 1년간 마이너스 수익을 보였지만, 아날로그 매출 증가, 3% 이상 배당 수익률 및 장기 자사주 매입이 결합돼 소득 중심 투자자들을 계속 끌어들이고 있습니다.

텍사스 인스트루먼츠(TXN) 최신 주식 뉴스

결론: TENG가 청정 전력 미래에서 차지하는 위치

에너지 수확 분야에서 TENG는 저비용, 효율적이며 지속 가능한 방식으로 기계적 에너지를 전기로 변환합니다. 일상적인 기계적 상호작용뿐 아니라 유체 흐름 및 압력 변동을 활용해 사용 가능한 전기로 전환함으로써, 이러한 기술은 유연한 착용형 기기, 자체 전원 센서, 해양 환경 에너지 시스템 등을 약속합니다.

현재 TENG의 실제 적용은 제한적이지만, 재료 구조를 정교화하고 효율을 개선하며 기존 전력 시스템과 통합하는 지속적인 연구를 통해 이 장치들은 궁극적으로 더 넓은 상업적 배치에 적합해질 수 있습니다.

나노기술 개발을 선도하는 기업 목록을 보려면 여기를 클릭하십시오.

참고 문헌

1. Jang, M.-H.; Rabbitte, S. P.; Frendi, A.; Conners, R. T.; Lei, Y.; Wang, G. “스코치 테이프를 이용한 넓은 대역폭 고출력 트리보전기 에너지 수확”. ACS Omega 10, no. 3 (2025): 2778–2789. https://doi.org/10.1021/acsomega.4c08590
2. Jimidar, I. S. M., Mālnieks, K., Sotthewes, K., Sherrell, P. C., & Šutka, A. “TENG의 입자형 인터페이스: 고밀도 폴리머 비드 단층이 에너지 수확기에 미치는 역할”. Small 21, no. 9 (2025): Article 2410155. https://doi.org/10.1002/smll.202410155
3. Wang, Z. L. “Zhong Lin Wang와 함께하는 TENG의 미래”. Communications Materials 6 (2025): Article 125. https://doi.org/10.1038/s43246-025-00847-7
4. Zhang, H.; Dai, G.; Luo, Y.; Zheng, T. “출력 성능 향상을 위한 튜브 액체‑고체 트리보전기 나노발전기의 공간 부피 효과”. ACS Energy Letters 9, no. 4 (2024): 1431–1439. https://doi.org/10.1021/acsenergylett.4c00072
5. Wang, Y.; Liu, X.; Wang, Y.; Wang, H.; Wang, H.; Zhang, S. L.; Zhao, T.; Xu, M.; Wang, Z.-L. “해양 사물인터넷에 전력을 공급하는 파도 에너지 수확용 유연한 해조류 형태 트리보전기 나노발전기”. ACS Nano 15, no. 10 (2021): 15700–15709. https://doi.org/10.1021/acsnano.1c05127
6. Bartolomé, L.; Verziaggi, N.; Brinker, M.; Amayuelas, E.; Merchori, S.; Arkan, M. Z.; Eglītis, R.; Šutka, A.; Chorążewski, M. A.; Huber, P.; Meloni, S.; Grosu, Y.; et al. “소수성 나노다공성 실리콘 모놀리트에서 비습윤 액체 침입‑추출 중 트리보전기 현상”. Nano Energy 146 (2025): Article 111488. https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2025.111488