백정민 UNIST 교수팀, 전하 펌프 기반 인공 번개 발전기 개발
백 교수 "언제 어디서나 마찰력으로 발전 가능"···'네이처 커뮤니케이션' 게재 

전하 펌프 기반 인공 번개 발전기의 구조도와 모습. 인공 번개 발전기는 위층과 아래층 사이에 접치층이 삽입된 구조를 하고 있다. 전하 펌프 기반 인공 번개 발전기의 구성도 및 실제 인공 번개 발전기의 모습(a), 인공 번개 발전기의 저항에 따른 출력 전압 및 전류(b), 인공 번개 발전기의 저항에 따른 출력 전력 밀도(c). <자료=UNIST 제공>
전하 펌프 기반 인공 번개 발전기의 구조도와 모습. 인공 번개 발전기는 위층과 아래층 사이에 접치층이 삽입된 구조를 하고 있다. 전하 펌프 기반 인공 번개 발전기의 구성도 및 실제 인공 번개 발전기의 모습(a), 인공 번개 발전기의 저항에 따른 출력 전압 및 전류(b), 인공 번개 발전기의 저항에 따른 출력 전력 밀도(c). <자료=UNIST 제공>
번개의 원리를 이용해 에너지를 전력으로 바꾸는 '인공 번개 발전기'가 개발됐다.  

UNIST(총장 정무영)는 백정민 신소재공학부 교수 연구팀을 비롯한 국제 연구팀이 번개 구름에서 전하가 분리되는 원리를 인공적으로 구현해 순식간에 엄청난 전력을 만들 수 있는 기술을 개발했다고 6일 밝혔다. 

번개는 구름 내에 있는 수증기 분자가 얼음 결정과 마찰하는 과정에서 생긴다. 두 물질이 부딪치는 과정에서 전하들이 분리되고 축적됐다가 엄청난 에너지를 지표면으로 방출하는 것이다.

연구팀은 번개가 만들어질 때 구름에서 벌어지는 현상을 분석, 전하가 생성되고 분리·축적되는 과정을 파악해 '전하 펌프'라는 새로운 개념을 고안했다. 

수증기 분자와 얼음처럼 마찰시킬 신소재를 만들고 3층 구조의 마찰 전기 발전기를 만들었다. 이 시스템은 외부전하까지도 마찰 전기 발전기로 퍼 올릴 수 있어 전력 생산 효율을 높일 수 있다고 연구팀은 설명했다. 

기존 마찰 전기 발전기는 두 물질이 스치면서 생긴 정전기로 전기를 만드는 원리로 마찰 시킬 물질을 2층으로 만드는 구조가 일반적이다. 연구팀은 2층 사이에 '접지층'을 하나 더 삽입해 전하 손실은 막고, 기존에 보고된 마찰 전기 발전기 보다 10~100배 이상 출력을 높였다. 

연구팀은 또 인공 번개 발전기로 스마트폰과 스마트워치에 있는 배터리를 충전할 수 있다는 사실도 실험을 통해 확인했다. 
 
백 교수는 "전하 펌프 기반의 인공 번개 발전기는 나무나 건물 같은 고정된 사물 외에도 자동차처럼 움직이는 사물에도 적용해 전력을 생산할 수 있다"며 "쓸모없이 버려지던 숨은 에너지를 거둬 스마트폰과 스마트워치 등 휴대용 전자 기기에 사용되는 배터리도 충전할 수 있다"고 밝혔다. 

이번 연구에는 종린왕(Zhong Lin Wang) 조지아공대(Georgia Tech) 신소재공학부 교수, 김상우 성균관대 신소재공학부 교수, 강종윤 KIST(한국과학기술연구원) 전자재료연구센터 책임연구원, 최덕현 경희대 교수가 공동으로 참여했다. 

이번 연구결과는 네이처 자매지인 '네이처 커뮤니케이션(Nature Communications)' 지난달 5일자 온라인판에 게재됐다. 

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