2025~2021 학부 연구생 시절 시작한 연구, 국제 학술지에 실려

작성일 2024-08-16

기계공학과 최동휘 교수 연구팀이 다양한 환경조건에서도 효율적으로 작동하는 회전형 정전 발전소자를 개발했다. 회전형 정전 발전소자는 바람, 물, 진동 등 주변 환경에서 발생하는 다양한 에너지를 전기로 변환할 수 있어 지속 가능한 에너지 생산 방식으로 주목받고 있다.

기계공학과 최동휘 교수 연구팀
다양한 환경조건에서도 효율적으로 작동하는 회전형 정전 발전소자 개발

기후 위기와 에너지 자원 문제는 전 세계가 직면한 중대한 과제다. 환경오염을 유발하지 않는 지속 가능한 에너지원을 확보하기 위한 다양한 연구가 진행되고 있다. 회전형 정전 발전소자(Rotational triboelectric nanogenerator, R-TENG)는 바람, 물, 진동 등 주변 환경에서 발생하는 다양한 에너지를 전기로 변환할 수 있어 지속 가능한 에너지 생산 방식으로 주목받고 있다. 하지만 다양한 변수가 일어나는 일상 환경과 달리 회전형 정전 발전소자는 특정 조건에서만 최적의 성능을 발휘해 에너지 효율성이 떨어졌다.

수직항력 최적화해 전기 에너지 변환 높여
기계공학과 최동휘 교수 연구팀이 다양한 환경조건에서도 효율적으로 작동하는 회전형 정전 발전소자를 개발했다. 연구팀은 압력 에너지 수준에 따라 마찰력을 조절해 문제를 극복했다. 이번 연구는 국제 학술지 ＜International Journal of Mechanical Sciences＞(IF=7.3, JCR 상위 3.3%)에 8월 15일(목) 게재됐다.

연구팀은 회전형 정전 발전소자 시스템 내부에서 일어나는 마찰력 등의 동역학적 요소가 전기적 성능에 미치는 영향을 분석했다. 그 결과 수직항력이 마찰력과 전기 출력 성능을 결정하는 숨겨진 핵심 요소였음을 확인했다. 이를 토대로 외부 사용자 조작 없이 수직항력을 최적화했다. 특정 조건에서만 전기를 변환했던 것과 달리 다양한 에너지 조건에서 주변의 역학 에너지를 전기 에너지로 변환했다.

연구의 범용성을 검증하기 위한 실험도 있었다. 풍력 에너지를 통해 회전형 정전 발전소자의 전기적 출력을 평가했다. 바람의 세기가 변화할 때마다 소자 내 시스템이 수직항력을 최적화해 전기 변환이 성공적으로 진행됐다. 연구 제1저자인 김유섭 학생(기계공학과 석사 1기)은 “에너지 수확 범위를 넓힐 수 있다”며 의의를 설명했다. 이번 연구 결과는 에너지 하베스팅 시스템 설계에 응용될 것으로 기대된다.

연구팀이 개발한 회전형 정전 발전소자 모식도.

학부 연구생으로서의 성장이 대학원 진학으로 이어져
이번 연구는 김유섭 학생이 학부 연구생 시절 진행했던 프로젝트에서 비롯됐다. 김유섭 학생은 “학부 연구생을 통해 정전 발전소자와 전자기 발전소자를 융합한 하이브리드 에너지 하베스팅에 관심이 생겼다”며 “관련 연구를 이어가며 스스로 성장하고 있다고 느껴 대학원 진학으로 이어지게 됐다”고 소개했다. 그는 “대학원에 진학해 학부 연구생부터 이어온 프로젝트를 성공적으로 마무리할 수 있어 기쁘다”는 소감을 남겼다.

실제 풍력 에너지를 적용하는 과정에서 예상과 다른 결과가 도출돼 시스템 구성을 처음부터 점검한 적도 있었다. 김유섭 학생은 “소형 전자기기를 구동하기 위해선 발전소자의 회로 구성을 최적화해야 한다는 결론을 얻었다. 다양한 시행착오를 겪으며 개선에 성공했다. 지도교수님과 라윤상 박사의 지원 덕분에 연구를 마칠 수 있었다”며 감사를 전했다.

연구팀은 이번 경험을 토대로 다양한 구조적 특성을 적용한 정전 발전소자 기반 센서 연구를 진행할 계획이다. 김윤섭 학생은 “3차원 구조를 형성하는 오리가미 구조 기반 정전 발전소자를 설계할 계획”이라고 설명했다. 이번 연구는 한국연구재단과 한국에너지기술평가원의 지원을 받아 진행됐다.

김윤섭 학생은 “3차원 구조를 형성하는 오리가미 구조 기반 정전 발전소자를 설계할 계획”이라며 향후 계획을 설명했다.