번개처럼 에너지를 만든다, ‘인공 번개 발전기’

번개는 눈 깜짝할 사이에 엄청난 에너지를 방출한다. 이 원리를 모사해 일상 속에 숨은 에너지를 전력으로 바꾸는 ‘인공 번개 발전기’가 개발됐다. 바람, 진동, 소리, 걷기 등에서 에너지를 거둬 전기를 만드는 세상을 앞당길 기술로 주목받고 있다.

백정민 신소재공학부 교수를 비롯한 국제 연구진이 번개의 원리를 이용해 전기를 생산하는 새로운 ‘마찰 전기 발전기’를 개발했다. 번개 구름에서 전하가 분리되는 원리를 인공적으로 구현해 순식간에 엄청난 전력을 만들 수 있는 기술이다.

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

백정민 교수팀은 번개가 만들어질 때 구름에서 벌어지는 현상을 면밀히 분석했다. 전하가 생성되고, 분리‧축적되는 과정을 파악한 연구팀은 ‘전하 펌프’라는 새로운 개념을 고안했다. 수증기 분자와 얼음처럼 마찰시킬 신소재를 만들고 3층 구조의 마찰 전기 발전기를 만든 것이다. 이 시스템은 외부 전하까지도 마찰 전기 발전기로 퍼 올릴 수 있어 전력 생산 효율을 높일 수 있다.

▲인공 번개 발전기의 전기 출력 비교. 접지층이 추가되는 순간 출력이 증가하는 모습을 볼 수 있다.

기존 마찰 전기 발전기는 두 물질이 스치면서 생긴 정전기로 전기를 만든다. 이런 발전기들은 마찰시킬 물질로 2층을 만드는 구조가 일반적이다. 그런데 번개의 원리를 모사해 발전기를 만든 백정민 교수팀은 2층 사이에 ‘접지층’을 하나 더 삽입했다. 이런 구조는 전하 손실을 효과적으로 막았고, 기존에 보고된 마찰 전기 발전기보다 10~100배 이상 높은 출력을 보였다.

백정민 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 설명했다. 연구진은 인공 번개 발전기로 스마트폰과 스마트워치에 있는 배터리를 충전할 수 있다는 사실도 실험적으로 확인했다.

그는 이어 “이번에 개발한 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 내다봤다.

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.

연구 지원은 삼성전자 미래기술육성센터의 삼성미래기술육성사업의 일환으로 이뤄졌다. 연구 결과는 세계 최고 권위의 과학 전문지 ‘네이처’의 자매지인 ‘네이처 커뮤니케이션(Nature Communications)’ 10월 5일자 온라인판에 게재됐다.