[과학을 읽다]'순간에너지 폭발!'…인공번개 발전기

스마트폰 충전 가능 실험적으로 증명

▲전하 펌프 기반 인공 번개 발전기의 구조도와 모습.[사진제공=UNIST]

[아시아경제 정종오 기자] 번개처럼 에너지를 만들 수 있는 '인공 번개 발전기'가 개발됐습니다. 스마트폰과 스마트워치 등을 대상으로 실험한 결과 충전이 가능했습니다.

번개는 눈 깜짝할 사이에 엄청난 에너지를 방출합니다. 이 같은 원리를 모사해 일상 속에 숨은 에너지를 전력으로 바꾸는 '인공 번개 발전기'가 나왔습니다. 바람, 진동, 소리, 걷기 등에서 에너지를 거둬 전기를 만들 수 있습니다.

유니스트(UNIST, 총장 정무영)의 백정민 신소재공학부 교수를 비롯한 국제 연구팀이 번개의 원리를 이용해 전기를 생산하는 새로운 '마찰 전기 발전기'를 내놓았습니다. 번개 구름에서 전하가 분리되는 원리를 인공적으로 구현해 순식간에 엄청난 전력을 만들 수 있는 기술입니다.

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

백정민 교수팀은 번개가 만들어질 때 구름에서 벌어지는 현상을 면밀히 분석했습니다. 전하가 생성되고 분리·축적되는 과정을 파악한 연구팀은 '전하 펌프'라는 새로운 개념을 고안했습니다. 수증기 분자와 얼음처럼 마찰시킬 신소재를 만들고 3층 구조의 마찰 전기 발전기를 만들었습니다. 이 시스템은 외부 전하까지도 마찰 전기 발전기로 퍼 올릴 수 있어 전력 생산 효율을 높일 수 있습니다.

기존 마찰 전기 발전기는 두 물질이 스치면서 생긴 정전기로 전기를 만듭니다. 이런 발전기들은 마찰시킬 물질로 2층을 만드는 구조가 일반적입니다. 번개의 원리를 모사해 발전기를 만든 백정민 교수팀은 2층 사이에 '접지층'을 하나 더 삽입했습니다. 이런 구조는 전하 손실을 효과적으로 막았고 기존에 보고된 마찰 전기 발전기보다 10~100배 이상 높은 출력을 보였습니다.

백 교수는 "접지층은 마찰로 생성된 전하가 외부 회로로 이동할 때 전하를 잃어버리는 걸 막기 위해 삽입했다"며 "이런 구조는 기존 2층짜리 마찰 전기 발전기보다 16배 이상 출력 전력을 높이는 결과를 가져왔다"고 설명했습니다. 연구팀은 인공 번개 발전기로 스마트폰과 스마트워치에 있는 배터리를 충전할 수 있다는 사실도 실험적으로 확인했습니다.

그는 "전하 펌프 기반의 인공 번개 발전기는 나무나 건물 같은 고정된 사물은 물론 자동차처럼 움직이는 사물에도 적용해 전력을 생산할 수 있다"며 "쓸모없이 버려지던 숨은 에너지를 거둬 스마트폰과 스마트워치 등 휴대용 전자 기기에 사용되는 배터리도 충전할 수 있을 것"이라고 전망했습니다.

연구 결과는 국제 과학 학술지 네이처 커뮤니케이션(Nature Communications) 10월5일자 온라인판(논문명: Boosted Output Performance of Triboelectric Nanogenerator via Electric Double Layer Effect)에 실렸습니다.