정전기 활용하여 전기 에너지로…배터리 수명 연장 및 교체 빈도 감소시켜

우리 사회에서는 지속 가능한 에너지원에 대한 수요가 지속적으로 높아지고 있다. 이에 따라, 재생 가능한 에너지원에서의 에너지 추출 기술이 매우 중요해지고 있다. 마찰전기 에너지 하베스팅 기술은 환경 친화적이며, 기존 에너지 소스의 한계를 극복하고 에너지를 추출할 수 있는 기술이다. 마찰전기 에너지 하베스팅 기술의 원리, 중요한 변수, 구동원리, 그리고 현재까지의 연구와 개발 상황에 대해 알아보자.



주병권 (고려대학교 전기전자공학부 교수)
이민혁 (한국과학기술연구원 전자재료연구센터, 고려대학교 전기전자공학부 석사 과정)


목 차

1. 서론
2. 마찰전기 현상의 원리
3. 마찰전기 현상의 중요한 변수
4. 마찰전기 나노발전기의 구동모드
5. 마찰전기 나노발전기의 구동원리
6. 마찰전기 에너지 하베스팅 기술의 응용 분야 및 최근 연구 동향
   6-1. 마이크로/나노 에너지 수확
   6-2. 자체 구동 센서 및 시스템
   6-3. 해양 에너지 수확
   6-4. 고전압 프로세스에서의 활용
7. 결론
8. 참고 문헌


1. 서론
 
마찰전기 에너지 하베스팅(Triboelectric Energy Harvesting) 기술은 일상생활에서 흔히 발생하는 정전기 현상을 활용하여 기계 에너지를 전기 에너지로 효과적으로 전환하는 혁신적인 기술이다. 이러한 발전기술은 2012년 Z. L. Wang 교수팀에 의해 처음으로 개발되었다^[1]. 이 마찰전기 에너지 하베스팅 기술은 접촉 전하 현상과 정전기 유도 효과를 결합함으로써, 기계 에너지를 전기 에너지로 변환할 수 있으며, 이는 자체 전원 공급 센서 및 소형 전자 기기를 제작하는 데 사용될 수 있다^[2].

마찰전기 효과는 두 가지 다른 물질이 접촉하는 과정에서 발생하며, 주로 산업 분야에서는 부작용으로 간주되어 왔다. 왜냐하면 이러한 현상에서 발생하는 정전기로 인해 불화, 먼지 폭발, 유전체 붕괴, 전자 손상 등의 문제가 발생할 수 있기 때문이다. 그러나 이러한 정전기는 두 마찰 표면이 분리된 후에 전기 에너지를 저장하는 캐패시터 형태로 볼 수 있으며, 이로써 초기 마찰전기 나노 발전기(Triboelectric Nanogenerator, TENG) 개발에 이어졌다. 

TENG는 이러한 마찰전기 효과와 정전기 유도를 결합하여 우리 일상생활에서 낭비되는 기계 에너지를 효과적으로 수집하는 것을 목표로 한다. 구체적으로, 마찰 전하 생성/접촉 전하 생성은 접촉 중인 물질 표면에 정전기를 유발하며, 정전기 유도는 기계적으로 이뤄지는 분리로 인한 전기적 포텐셜의 변화를 통해 기계 에너지를 전기 에너지로 변환한다. 이 TENG 개념은 다양한 작동 모드로 확장되어 진동, 인체 운동, 바람 및 파동과 같은 다양한 응용 분야에서 사용할 수 있게 되었다^[9,10].

TENG의 다른 장점으로는 다양한 재료 사용 가능성, 가벼운 무게, 저렴한 가격 및 낮은 주파수에서의 동작 성능 등이 있다. 원칙적으로 양전하, 음전하의 서로 반대의 전하 친화력을 가진 재료를 사용하여 TENG를 구성할 수 있으며 이는 그림 1을 통해 알 수 있다. 이 중에서 높은 성능을 얻기 위해 흔히 사용되는 재료로는 PTFE(PolytetraFluoroethylene)와 실리콘이 있다^[3]. 대부분의 현재 TENG는 고분자 기반이며 유연하며 제작이 쉽고, 비용 효율적이며 높은 휴대성을 가지고 있다. 고온에서 작동되는 TENG같은 경우 극한의 환경에서 사용하기 위해 내구성 있는 세라믹 재료로 만들어지기도 한다^[4]. TENG를 사용하여 수집된 에너지는 다양한 소형 전자 기기를 작동시키고 자체 전원 공급 전자 기기 네트워크를 가능하게 한다.  

 

IoT(Internet of Thongs) 시대에 필요한 수많은 센서와 대규모 배터리 교체와 관련된 환경 문제를 고려할 때, TENG는 중요한 대체 에너지원으로서의 솔루션 역할을 할 가능성이 있고, 심지어 "새로운 시대의 에너지"로 제안되기도 한다. 

2. 마찰전기현상의 원리

마찰전기(Triboelecreic) 는 "Tribo" 즉, 문지르다는 의미와 "electricity" 를 결합한 용어로, 두 다른 물질이 서로 접촉할 때 두 재료 간에 전하가 이동하는 현상을 나타낸다^[6]. 이러한 현상은 두 재료의 일함수(work function) 차이로 인해 일어난다. Thomas J. Fabish와 Charles B. Duke는 금속과 절연체가 접촉할 때 금속의 전자가 절연체로 이동하며 두 재료의 일함수 차이에 의해 이동하는 전하의 양이 결정된다고 보고했다^[7].

마찰 전기 현상은 페르미 에너지 모델을 사용하여 잘 설명할 수 있다. 이는 그림 2에서 확인할 수 있다. 두 물질 사이의 거리가 원자 간 결합 길이보다 클 경우, 두 원자는 서로를 끌어당기게 된다(그림 2A 참조). 실험적으로 마찰 전기 현상은 두 원자 간의 거리가 결합 길이보다 짧을 때만 발생하는 것으로 확인되었다(그림 3B 참조). 이러한 현상을 일반적인 경우에 대한 전자 전이를 설명하기 위해 전자 구름 모델이 제안되었다(그림 3C 참조).

두 물질의 원자가 서로 가까워지고 접촉하면, 두 원자 간의 전자 구름이 강하게 겹침으로써 전자 이동이 가능하게 되며 이 과정에서는 포텐셜 에너지 장벽이 낮아지게 된다(그림 3D 참조). 이러한 전자 이동 모델은 두 재료 간의 마찰 전기 현상을 이해하는 데 유용하게 사용된다.
 

접촉 전하는 일반적으로 금속-금속, 금속-절연체, 절연체-절연체 세 가지 유형으로 분류할 수 있다. 금속-금속 접촉의 경우, 두 금속의 일함수 차이에 의해 전하가 이동하며 전위는 다음과 같다.



여기서 V_c는 두 금속의 접촉 전위 차이, , ? 1 과 ? 2는 서로 다른 두 물질의 일함수이고, e는 전자의 전하량이다. 

금속-절연체 및 절연체-절연체 접촉의 경우도 설명할 수 있다. 두 재료의 밴드 구조와 페르미 에너지 수준을 고려하면, 전자는 페르미 에너지 수준이 높은 물질에서 벗어나 페르미 에너지 수준이 낮은 물질로 이동한다. 전자를 잃는 물질을 도너(Donor)라고 하고, 전자를 얻는 물질을 어셉터(Acceptor)라고 할 때 금속-절연체 접촉의 경우, 절연체-절연체의 경우 이론적 전하 이동량은 각각 다음과 같다.



여기서 ρ A 와 ρ D 는 각각 억셉터와 도너의 절연체 상태의 밀도이고, f₁ (E) 와 f₂ (E)는 각각 전자의 어셉터와 도너의 전하 상태를 가질 확률입니다. 식 2의 위 식는 금속-절연체 접촉의 경우를 나타낸다. 식 2의 아래 식은 절연체-절연체 접촉의 경우를 나타낸다. 

3. 마찰전기 현상의 중요한 변수

마찰전기 현상의 중요한 변수로는 전기음성도, 접촉면적, 습도, 온도 등이 있다. 첫 번째로 두 물체의 전기 음성도 차이가 클수록 (그림1, Triboelectric series 참고) 전하 이동도가 높기 때문에 마찰전기 현상이 더 크게 발생한다. 

또한 두 물체의 접촉 면적이 넓을수록 더 많은 전자가 이동할 수 있게 되어 마찬가지로 마찰전기 현상이 더 크게 일어난다. 접촉면적을 넓히는 방법으로는 여러 가지가 있는데 그 중 하나는 표면을 거칠게 만드는 방법이다. 거친 표면은 더 많은 접촉지점을 만들기 때문에 평평한 표면보다 더 많은 전자들이 접촉지점을 통해 이동하게 된다. 또한 맞닿을 때 가해지는 압력이 클수록 같은 표면 상태여도 더 많은 표면 접촉을 유도하기 때문에 마찰전기 현상이 더 크게 일어난다.

습도 또한 마찰전기 현상에 큰 영향을 준다. 습도가 높을 경우 대기 중의 수분이 마찰 대전체 표면의 전하를 빼앗기 때문에 마찰전기로 인한 전하 이동도를 감소시키게 된다. 따라서 습도가 낮을 경우 더 큰 마찰전기 현상을 기대할 수 있다. 마찰전기 나노 발전기의 제작과정에는 이러한 변수들을 고려하여 구조를 설계해야 한다.

4. 마찰전기 나노 발전기의 구동모드

TENG에는 방향성 변화와 전극 구성에 따라 네 가지 기본 작동 모드가 존재한다. 이 모드들은 수직 접촉-분리 모드, 수평 슬라이딩 모드, 단일 전극 모드 및 독립형 마찰 전기층 모드로 나눌 수 있으며, 그림 3에서 확인할 수 있다. 가장 기본적인 구조인 수직 접촉-분리 모드(Vertical Contact-Seperation Mode)는 서로 다른 두 물질의 수직 운동을 통해 전기 에너지를 생성한다. 접촉-분리 과정 중에 두 전극 사이의 전위 차이가 변화하고, 전위 차이를 균형을 맞추기 위해 외부 전류가 생성된다. 

수평 슬라이딩 모드(Leteral-Sliding Mode)는 접촉 면의 평행한 마찰을 이용하며, 두 전극 사이의 전위 차이가 변화하고 따라서 외부 회로를 통해 전기 출력이 생성된다. 이 모드는 회전운동을 이용하여 구현할 수도 있다. 

단일전극 모드(Single electrode Mode)는 도선을 사용하지 않고 접지를 전극으로 사용하여 움직이는 물체에서 기계 에너지를 수집하기 위해 고안되었다. 구동이 간판하지만 출력이 줄어드는 단점이 있다.

독립형 마찰 전기층 모드(Freestanding Triboelectric-Layer Mode)는 단일전극 모드를 기반으로 설계되었지만 두 개의 대칭 전극 쌍을 사용한다. 자유롭게 움직이는 물체의 위치가 변경되면 비대칭한 전하 분포에서 전기적 출력이 생성된다. 

실제 응용에서 TENG는 하나의 단일 모드로 제한되지 않으며 다양한 모드가 일반적으로 그들의 이점을 최대로 활용하기 위해 결합된다.  
 
    
5. 마찰전기 나노 발전기의 구동원리

그림 4는 접촉-분리 모드 TENG를 예로 들어 TENG의 작동 원리를 자세히 보여준다. 초기 상태에서는 충전이 생성되거나 유도되지 않는다(그림 4 I). 두 가지 다른 물질의 표면이 물리적으로 접촉되면 두 표면에서 전자가 이동하여 양과 음으로 대전되게 된다(그림 4 II). 그런 다음 두 표면이 분리되면 전위 차가 형성되어 하부 전극에서 상부 전극으로 순간적으로 전류가 발생한다(그림 4 III).

최종적으로 두 표면이 완전히 분리되면 평형 상태에 도달하게 된다(그림 4 IV). 두 표면이 다시 눌렸을 때 정전기 유도된 충전은 전자 외부 부하를 통해 전기 전위 차를 보상하기 위해 다시 흐르게 된다(그림 4 V). 이와 같은 과정을 통해 마찰전기 현상으로 전기에너지를 얻을 수 있다.

 
    
6. 마찰전기 에너지 하베스팅 기술의 응용분야 및 최근 연구 동향 

6-1. 마이크로/나노 에너지 수확

마찰전기 나노 발전기 기술은 주변 환경에서 발생하는 마이크로/나노 에너지를 효과적으로 수확하는 데 활용된다. 바람 에너지, 물 에너지, 진동 에너지 및 인체 동작과 같은 마이크로 에너지원을 활용하여 전자 기기 및 센서를 위한 지속적으로 생성할 수 있는 에너지를 제공한다. 

6-2. 자체 구동 센서 및 시스템

TENG를 활용한 자체 구동 센서 기술은 빠르게 발전하는 IoT와 관련하여 중요한 역할을 한다. 이러한 센서는 기계적 움직임을 전기 신호로 변환하는데 사용된다. 물리적 변수를 측정하고, 이 정보를 디지털 신호로 변환하여 무선 통신 시스템과 연계하여 다양한 응용 분야에서 활용할 수 있다. 이러한 분야에는 의료 기기, 환경 모니터링, 개인 맞춤형 치료 및 무선 센서 네트워크 등이 있다(그림 5).

 

6-3. 해양 에너지 수확

해양 에너지는 세계의 큰 잠재력을 가지고 있으며, 특히 파도 에너지는 블루 에너지 수확의 주요 대상 중 하나이다. TENG는 저주파수 파도 에너지의 효율적인 변환을 위해 사용된다. 바다의 파도로부터 에너지를 수확하는 방법과 다중 TENG 유닛을 통합하여 물결 에너지를 수집하는 방법이 고안되었다. 이러한 기술은 해양 에너지 수확 분야에서 중요한 역할을 하며, 자체 구동 스마트 부표 시스템과 같은 응용 분야에서 적용되고 있다.

 

6-4. 고전압 프로세스에서의 활용

TENG는 고전압을 생성할 수 있는 기능을 가지고 있어, 플라즈마, 정전기적 회전 섬유 및 입자 필터와 같은 고전압이 필요한 분야에 활용할 수 있다. 이와 관련된 예시는 그림 7을 통해 확인할 수 있다.
 

마찰전기 에너지 하베스팅 기술은 위와 같이 다양한 응용 분야에서 솔루션을 제공하며, 에너지 효율성과 지속 가능성을 향상시키는 데 기여하고 있다.
    
7. 결론

마찰전기 에너지 하베스팅 기술은 혁신적이고 미래지향적인 분야이다. 이 기술은 주변의 기계적 에너지를 효과적으로 수집하고 변환할 수 있으며, 다양한 응용 분야에서 무한한 잠재력을 가지고 있다. 이러한 마찰전기 에너지 하베스팅 기술은 휴대 전자기기, 자동차, 센서 네트워크, 의료 기기 및 기타 다양한 분야에서 사용될 수 있으며, 이로써 배터리 수명 연장 및 배터리 교체 빈도 감소와 같은 혜택을 제공할 것으로 기대된다.

    
8. 참고 문헌

1.    Fan FR, Tian ZQ, Lin Wang Z. Flexible triboelectric generator. Nano Energy. 2012 Mar;1(2):328?34. 
2.    Wang ZL. From contact electrification to triboelectric nanogenerators. Rep Prog Phys. 2021 Sep 1;84(9):096502. 
3.    Zhao P, Soin N, Prashanthi K, Chen J, Dong S, Zhou E, et al. Emulsion Electrospinning of Polytetrafluoroethylene (PTFE) Nanofibrous Membranes for High-Performance Triboelectric Nanogenerators. ACS Appl Mater Interfaces. 2018 Feb 14;10(6):5880?91. 
4.    Tantraviwat D, Ngamyingyoud M, Sripumkhai W, Pattamang P, Rujijanagul G, Inceesungvorn B. Tuning the Dielectric Constant and Surface Engineering of a BaTiO3/Porous PDMS Composite Film for Enhanced Triboelectric Nanogenerator Output Performance. ACS Omega. 2021 Nov 9;6(44):29765?73. 
5.    Kim YJ, Lee J, Park S, Park C, Park C, Choi HJ. Effect of the relative permittivity of oxides on the performance of triboelectric nanogenerators. RSC Adv. 2017;7(78):49368?73. 
6.    Walden R, Kumar C, Mulvihill DM, Pillai SC. Opportunities and Challenges in Triboelectric Nanogenerator (TENG) based Sustainable Energy Generation Technologies: A Mini-Review. Chem Eng J Adv. 2022 Mar;9:100237. 
7.    Fabish TJ, Duke CB. Molecular charge states and contact charge exchange in polymers. J Appl Phys. 1977 Oct 1;48(10):4256?66. 
8.    Wang ZL. Triboelectric Nanogenerator (TENG)?Sparking an Energy and Sensor Revolution. Adv Energy Mater. 2020 May;10(17):2000137. 
9.    Kao FC, Ho HH, Chiu PY, Hsieh MK, Liao J, Lai PL, et al. Self-assisted wound healing using piezoelectric and triboelectric nanogenerators. Sci Technol Adv Mater. 2022 Dec 31;23(1):1?16. 
10.    Luo J, Wang ZL. Recent progress of triboelectric nanogenerators: From fundamental theory to practical applications. EcoMat. 2020 Dec;2(4):e12059. 
11.    Cheng T, Shao J, Wang ZL. Triboelectric nanogenerators. Nat Rev Methods Primer. 2023 May 18;3(1):39.