[붙임] 연구결과 개요

1.연구배경

도시 기반 시설과 각종 구조물에는 강우량 변화를 실시간으로 감지하고, 침수 위험을 조기에 대응하기 위한 센서 기술이 필요하지만, 기존 강우 센서는 전력 공급이 필요하거나 실외 오염·습도 변화에 취약해 장기 운영이 쉽지 않다. 최근에는 물방울과 고체 표면이 접촉·분리될 때 발생하는 접촉전기(contact electrification)와 정전유도(electrostatic induction)를 이용해 전력을 얻는 물방울 기반 에너지 수확 기술이 제시됐으나, 금속 전극의 부식, 표면 오염에 따른 초발수 성능 저하, 반복 낙하 환경에서의 출력 감소 등 실제 환경 적용을 막는 기술적 제약이 지속적으로 지적돼 왔다. 특히, 물방울이 표면에 달라붙어 머무르는 상태가 길어지면 접촉전기 효율이 급격히 떨어지는 문제도 해결되지 못한 한계였다.

2.연구내용

연구팀은 건축·토목 분야에서 광범위하게 사용되는 구조용 탄소섬유 복합재(FRP) 를 기반으로, 물방울이 표면에 닿았다 떨어지는 아주 짧은 순간의 전하 이동만으로 전기를 추출하는 물방울 발전기(S-FRP-DEG)를 설계했다. 이 발전기는 복합재 표면에 미세 요철(micro-roughness)을 형성해 물방울의 초기 접촉 면적을 확보하고, 이어 실리콘(PDMS)과 테플론(PTFE) 미세입자를 조합한 초발수 코팅을 적용해 정적 접촉각 167°의 표면을 구현했다. 발수 성능이 뛰어난 연꽃잎의 정적 접촉각은 150° ~ 165°이다. 이 표면에서는 물방울이 표면에 얇게 퍼진 뒤 곧바로 구슬처럼 수축하며 튕겨 나가는데, 이 과정에서 물방울은 양전하(+), 코팅 표면은 음전하(–)를 띠게 된다. 물방울이 표면에 얇게 퍼질 때 코팅층과 FRP 내부의 탄소섬유 전극 사이에는 순간적인 전위차가 형성되고, 물방울이 표면에 노출된 탄소섬유 다발과 닿는 순간 외부 회로를 통해 펄스 형태의 전기 신호가 출력된다.

연구에서 PTFE 함량을 달리한 다양한 코팅 시편이 제작됐으며, 그중 15 wt% PTFE 코팅(PT15)이 가장 우수한 성능을 보였다. 약 92 μL 크기의 물방울 한 개가 낙하했을 때 최대 60 V 전압, 5.84 μA 전류, 117.93 mW/m² 출력 밀도가 측정되었고, 이는 비코팅 FRP 대비 약 8배 향상된 성능이다. 또한 8,000초 이상 반복되는 물방울 충격 실험에서 출력 감소는 약 2%에 그쳐 장기 내구성이 확인됐고, 고온·고습·자외선 환경에서도 초발수 성능과 출력 변화가 거의 나타나지 않았다.

금속 전극을 사용하지 않고 FRP 구조체 자체를 전극으로 활용함으로써, 빗물 속 이온에 의한 부식 문제도 근본적으로 제거했다.

연구팀은 이 발전기를 실제 지붕 모서리 및 배수 덕트에 부착한 시연도 수행했다. 물방울 낙하 주기 변화는 곧바로 출력 펄스의 발생 빈도로 반영되었고, 이를 간단한 회로에 연결해 약한 비–보통 비–강한 비 상황을 구분해 자동으로 펌프를 단계적으로 작동시키는 기능을 구현했다. 외부 전원이 없는 환경에서도 강우량 변화만으로 장치를 구동할 수 있음을 실험적으로 확인한 것이다.

3.기대효과

이번 연구는 구조재로 널리 쓰이는 탄소섬유 복합재 표면에 초발수 기능을 부여하는 것만으로, 에너지 수확 기능과 환경 감지 기능을 동시에 갖춘 다기능 구조체로 확장할 수 있음을 보여준다. 금속을 사용하지 않아 부식 우려가 없고, 초발수 코팅이 오염 입자 부착을 억제해 장기간 실외 노출 환경에서도 안정적인 출력 유지가 가능하다. 이를 통해 기존 강우 센서의 내구성·전력 공급 문제를 해결하고, 도시 배수 시스템, 교량·터널 감시, 침수 취약 지역의 무전원 감지 장치 등 다양한 인프라 분야에 직접 적용할 수 있다. 또한 접촉전기 기반 표면 발전 구조체의 설계에서 표면 거칠기 조절 + 초발수성 조합이 출력 최적화의 핵심 설계 변수임을 제시해 향후 물방울·습기 환경에서 동작하는 에너지 수확 연구의 새로운 방향성을 제시한다.

[붙임] 용어설명

1.접촉전기 (contact electrification)

두 물체가 원래는 서로 전기적 중성 상태였다가, 닿거나 문질러지는 과정에서 한쪽에서 다른 쪽으로 전자가 이동해 서로 다른 전하를 띠게 되는 현상이다. 예를 들어, 고무풍선과 머리카락은 처음에는 모두 중성이지만, 서로 문지르는 동안 전자가 머리카락에서 풍선 쪽으로 이동하면서 머리카락은 전자(–)를 잃어 양전하(+), 풍선은 전자를 얻어 음전하(–)를 띠게 된다. 물방울과 표면이 닿는 순간에도 같은 과정이 일어나 물방울은 주로 양전하를, 표면은 음전하를 띠게 된다.

2.정전유도 (electrostatic induction)

표면에 쌓인 전하 때문에 그 아래 전극층에 반대 전하가 유도되는 현상이다. 물방울이 분리될 때 이 전하가 외부 회로를 통해 이동하면서 펄스 신호가 출력된다.

3.FRP (Fiber-Reinforced Polymer, 탄소섬유 복합재)

탄소섬유 다발을 고분자 수지에 섞어 만든 구조재로, 가볍고 강해 건축·토목 분야에 널리 사용된다. 본 연구에서는 복합재 내부의 탄소섬유가 전극 역할도 수행한다.

4.미세 요철(micro-roughness)

복합재 표면에 형성된 미세한 돌기 구조로, 물방울의 초기 접촉 면적을 넓혀 접촉전기 발생량을 높인다.

5.정적 접촉각 (static contact angle)

고체 표면 위의 물방울이 이루는 가장자리 각도다. 클수록 물방울이 퍼지지 않고 구슬처럼 유지된다. 연꽃잎은 약 160° 수준이다.

6.초발수 코팅(superhydrophobic coating)

정적 접촉각이 150° 이상이도록 만든 코팅층으로, 물방울이 표면에 달라붙지 않고 곧바로 굴러떨어지게 한다. PDMS–PTFE 입자를 조합해 구현된다.

7.출력 밀도(output power density)

단위 면적당 생성되는 발전량을 의미한다. 물방울 기반 발전기의 성능을 비교할 때 사용되는 기준 값이다.

8.펄스 출력(pulse-type signal)

연속전류가 아닌, 물방울이 닿았다 떨어지는 순간에만 짧게 발생하는 전기 신호를 말한다. 강우량 감지에 적합한 신호 형태다.

[붙임] 그림설명

그림설명. 탄소섬유 복합재 물방울 발전기(S-FRP-DEG)의 동작 개념과 전기 출력 과정

(좌단) 빗방울이 지붕 탄소섬유 복합재(S-FRP-DEG) 표면에서 튕겨지면서 신호가 생성되는 과정을 나타낸 그림이다. (좌측 두번째) 초발수 코팅을 적용한 표면에서 빗방울이 닿았다가 즉시 튕겨 나가며 접촉전기가 발생한다. 코팅하지 않은 시편(EP)은 물방울이 달라붙어 떨어지지 않지만, PTFE 15 wt% 코팅 시편(PT15)에서는 물방울이 완전히 분리된다. (우측 I~V) 물방울이 표면에 닿는 순간(I) 물방울 쪽에는 양전하(+), 표면에는 음전하(–)가 쌓이고, 접촉 면적이 넓어지는 단계(II~III)에서는 전극층(GFRP–CFF) 아래에 반대 전하가 정전유도돼 전위차가 형성된다. 물방울이 표면에서 완전히 분리되는 순간(IV~V), 유도된 전하가 외부 회로를 통해 이동하며 뚜렷한 단일 펄스 전류가 출력된다.