최근 1, 2차 전지를 대체할 수 있는 반영구적 친환경 전원 기술로 에너지 하베스팅 기술이 활발하게 연구되고 있으며, 이를 전원으로 활용하는 무선 센서 네트워크(WSN, Wireless sensor network)와 사물인터넷(IoT, Internet of Things) 기술은 지능형 빌딩, 스마트 팜, 스마트 시티, 스마트 팩토리, 스마트 기상관 등 4차 산업 혁명을 이끌어갈 핵심 기술로 부각되고 있다.

본 연구팀이 개발한 고출력의 회전형 하이브리드 나노발전기는 전기방사기술로 제작된 불소고분자(PVDF-TrFE)와 나일론(Nylon-11) 나노섬유기반 마찰전기(triboelectric) 나노발전기, 영구자석을 이용한 전자기력(electromagnetic) 발전기가 일체화 되어 있다. 마찰전기 나노발전기의 상단 전극에 부착된 연자성체(고무자석)와 자연풍이나 물의 흐름으로부터 발생하는 물리적 에너지에 따라 회전 운동하는 영구자석간의 인력에 의해 접촉 및 분리되게 하는 구조를 적용하여 고출력과 동시에 수명성을 크게 향상시켰다.

나노섬유 간 마찰 대전(triboelectrification)을 이용함으로써 기존의 일반필름 형태 보다 5.7 배 더 높은 전하 밀도와 높은 전기적 성능을 얻을 수 있었다. 제작된 하이브리드 나노발전기는 매칭된 부하 저항에서 최대 40.65 mW의 전력을 생산하였고, 마찰전기와 전자기력 나노발전기는 500 rpm의 회전 조건에서 각각 1567 mW/kg, 386 mW/kg의 높은 에너지 밀도의 전력 생산성을 나타냈다. 또한, 제작된 하이브리드 나노발전기는 1000 rpm의 회전 조건에서 8시간 30분 동안 진행된 반복실험 테스트에서 균일한 성능을 보이며 높은 신뢰성과 내구성을 나타내었다.

본 연구팀은 회전형 하이브리드 나노발전기를 전원 기술로 활용하여 온도, 습도, 토양 수분, 수질 등을 상시 연속모니터링 할 수 있는 반영구적 친환경 스마트 팜 시스템을 성공적으로 시연함으로써 에너지 하베스팅 기술의 상용화 가능성을 보여줬다.

한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부의 바이오·의료 기술개발사업 (NRF-2017M3A9F1031270)과 한국연구재단 중견연구자 지원사업(NRF-2020R1A2C2012820)으로 수행되었고, 연구 결과는 세계 최고의 에너지 연구 전문 저널인 엘시비어 (ELSEVIER) 출판의 나노 에너지 (Nano Energy, IF: 16.602)에 게재 되었다.(끝)

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.105974

<바람과 흐르는 물을 이용하여 고출력의 전기를 생산할 수 있는 회전형 하이브리드 나노발전기와 이를 이용한 반영구적 친환경 스마트 팜 시스템>