중앙대학교(총장 박상규) 연구진이 버려진 알루미늄 호일로부터 전기에너지를 얻을 수 있는 정전소자를 개발하는 데 성공했다.

23일 중앙대에 따르면, 이상민 기계공학부 교수 연구팀이 장치의 무게를 최소화한 데 더해 저소음·고수명·고출력이란 장점을 지닌 '알루미늄 호일의 공 구조를 활용한 정전소자'를 개발했다.

세계 인구 증가와 산업화로 인해 폐기되는 알루미늄 호일의 양은 크게 증가하고 있다. 문제는 변형되고 오염물질이 묻은 호일들을 재활용하는 것이 불가능하게 여겨져 왔다는 점이다. 폐기되는 알루미늄 호일은 공 모양으로 구겨 부피를 최소화한 후 매립하거나 소각하는 것이 일반적이다. 이 과정에서 환경오염 문제가 발생한다.

공 모양으로 구겨진 알루미늄 호일은 크럼플드볼(Crumpled-ball) 구조를 갖는다. 이 교수 연구팀은 이러한 크럼플드볼을 발전 재료로 사용해 기계적 에너지를 전기에너지로 변환하는 정전소자(Triboelectric Nanogenerator, TENG)를 개발했다.

이 교수 연구팀은 알루미늄 크럼플드볼이 내부 기공으로 인해 일반적인 금속 구에 비해 95% 가량 가볍다는 점에 주목했다. 연구 결과 크럼플드볼 사용 시 기존 금속 구 기반 정전소자의 출력은 유지하면서 작동 시 발생하는 소음이 적었고, 발전소자의 기계적·전기적 수명도 획기적으로 늘어났다.

새 정전소자의 장점은 여기에서 끝나지 않는다. 공기항복 현상을 이용하게끔 구조를 설계한 결과 방전소자의 단점으로 여겨지던 낮은 피크 출력과 전류 출력이란 한계를 극복하는 것으로 나타났다. 별도의 접지가 필요없는 프리 스탠딩 전극 구조이기에 휴대성도 확보하는 데 성공했다.

연구팀은 통상 버려지는 알루미늄 호일은 한쪽 면에 오염물질이 묻은 경우가 많다는 점도 놓치지 않았다. 오일, 스테이크 소스, 케첩, 꿀 등 일상적인 오염물질이 묻은 환경을 시험한 결과 전기 출력의 감소가 미미한 수준에 그친다는 것을 확인했다. 크럼플드볼의 구조상 오염물의 노출을 최소화하는 것이 가능했기에 도출된 결과다.

이처럼 마찰대전 효과와 정전기 유도 원리를 기반으로 하는 새 정전소자는 간단한 제조공정과 저렴한 재료비, 높은 전력밀도 등 다양한 장점을 갖고 있다. 500개의 LED와 30W의 상용 램프를 점등할 만큼 출력도 크다.

이번 연구는 한국연구재단의 기초연구실 및 중견연구 사업, 산업통산자원부의 수요기업 맞춤형 고출력축전기(슈퍼커패시터) 성능 고도화 기술개발 사업의 연구비를 지원받아 이뤄졌다. 연구성과에 대한 상세한 내용은 '오염물질이 묻은 알루미늄 호일을 재활용 가능한 마찰대전 나노발전기(Recycled, contaminated, crumpled aluminum foil-driven triboelectric nanogenerator)' 논문을 통해 확인 가능하다.

해당 논문은 2022년 피인용도(Impact Factor) 17.521을 달성한 국제 저명 학술지 '어드밴스드 사이언스(Advanced Science)'에 게재됐다. 이상민 교수 연구실 소속 기계공학과 손진호 석사, 차경환 석박사통합과정생이 공동 제1저자에 이름을 올렸다.

이상민 교수는 "이번 연구 성과는 재료의 뛰어난 특성을 활용해 정전소자의 다양한 한계를 극복함과 동시에 폐기되던 알루미늄을 재생에너지 수확 소자로 사용함으로써 지속가능한 발전에 한 걸음 다가간 중요한 발견"이라고 전했다.