기계공학과 최동휘 교수 연구팀이 물방울 기반 하이브리드 발전기를 개발했다.

기계공학과 최동휘 교수 연구팀, 물방울 기반 전기 발전기와 마찰전기 발전기 융합
낙하 물방울 에너지 활용 구조 설계로 에너지 생산 효율 30% 향상

에너지 하베스팅 기술은 화석 연료 고갈로 인한 에너지 부족 현상 해소의 해결책으로 주목돼 왔다. 또한 기후 재앙이 빈번해진 요즘, 지속 가능한 에너지원의 유망한 개발방식으로 떠올랐다. 최근 에너지 하베스팅 기술의 주요 동향은 하나의 에너지원으로부터 충분한 에너지 수확을 위해 재료의 역학적 특성과 구조 개선을 통해 전기 에너지 생산 효율성을 높이는 데 집중한다는 점이다. 기계공학과 최동휘 교수 연구팀은 연구 동향에 발맞춰 압축 좌굴 현상에 기반한 4차원 프린팅 공정을 통해 ‘떨어지는 물방울을 활용한 하이브리드 전기 발전기’를 개발했다. 이번 연구는 학문적 우수성을 인정받아 국제 학술지인 <Advanced Materials(IF=29.4)>에 표지논문으로 게재됐다.

낙하하는 물방울의 역학 에너지 최대한 활용, 안정성과 내구성까지 검증
고체 표면에 낙하하는 물방울은 상당한 양의 잠재적인 역학적 에너지를 갖고 있다. 하지만, 물방울의 충돌 과정 중 일어나는 에너지 소산으로 인해 충분히 활용되지 못하고 있는 실정이다. 이러한 물방울의 역학 에너지를 효과적으로 전환하기 위해서는 기존의 딱딱한 에너지 하베스터가 아닌 탄성적 구조를 포함하는 에너지 하베스터를 설계해 충돌로 인한 에너지 손실을 최소화해야 한다. 최동휘 교수 연구팀은 에너지 발전 효율을 높이기 위해 ‘물방울 기반 전기 발전기(Droplet-based Electricity Generator)’와 ‘마찰전기 발전기(Triboelectric Nanogenerator)’를 융합한 하이브리드 물방울 기반 전기 발전기를 개발했다.

이번 연구는 학부 연구생 출신인 권기락 학생이 연구 주제를 선정했다. 권기락 학생은 “압축 좌굴을 활용한 구조물을 공부하던 차에 물방울 기반 전기 발전기의 개념을 알게 됐다. 자연스레 압축 좌굴을 발전기에 적용할 방법을 고민하며 연구가 시작됐다”고 밝혔다. 물방울의 역학 에너지를 최대한 활용하기 위해 구조를 설계했는데 이 과정에는 기계적으로 유도되는 4차원 프린팅 기술을 처음으로 제시 및 적용했다.

연구팀은 4차원 프린팅 기술 기반의 발전기를 제작하기 위해 장치 재료, 구조적 특성을 분석해 설계 가이드라인을 제시했고, 시뮬레이션 결과로 구조 제작 가능성을 타진했다. 최동휘 교수는 “기존 연관 분야의 여러 장치를 결합하는 새로운 방법론과 재료역학 이론을 통한 구조 설계의 가이드를 제안해 의미가 크다”며 연구 의의를 설명했다.

연구팀이 설계한 4차원 프린팅 기반 구조는 물방울의 운동 에너지를 표면 및 탄성 에너지로 효과적으로 변환시켰다. 그 결과 기존 발전기와 대비해 에너지 생산 효율이 약 30% 이상 향상됐다. 약 1만 개의 물방울로 반복 검증하며 안정성과 내구성도 입증했다. 권기락 학생은 “설계한 발전기는 소형 전자기기의 전력 공급원으로 충분히 활용될 수 있다”고 설명했다.

“실패는 성공의 원동력”

이번 연구는 학문적 우수성을 인정받아 국제 학술지 표지논문으로 선정됐다. 국제학술지 <Advanced Materials> 표지.

성공적으로 연구를 끝맺었지만, 그 과정에는 확신이 없었다. 학부 연구생 시절 4주간 실패를 반복하며 낙담하기도 했다. 권기락 학생은 “처음 연구를 시작했을 때 능력에 대한 확신이 없었다. 하지만 지도교수님과 연구를 함께 도와준 감동익 박사과정생의 격려로 연구에 대한 열정과 자신감을 키웠다. 실패가 많았지만, 그 실패가 현재의 결과를 만든 원동력이 됐다”고 떠올렸다. 감동익 학생은 “학부 연구생은 이론적 배경이 튼튼하지만, 실험적 노하우가 부족하다”며 “연구생이 알고 있던 지식을 실험에 적용할 수 있게끔 도움 주고 있다”고 말했다.

학부 연구생 당시의 실험 경험은 대학원 진학으로 이어졌다. 권기락 학생은 “주변 학부 연구생을 보며 호기심이 들었다. 학부 연구생 시기를 겪어보니 대학원 진학의 이점이 보였고, 연구를 대하는 자세에서 성장했다는 생각이 들어 대학원에 진학하게 됐다”고 말했다.

이번 연구 결과로 관련 특허를 2건 출원했고, 국제학술대회인 ‘NANO KOREA 2023’에서 대상 수상을 포함해 ‘2023 하계 한국전기전자재료학회’ 등 여러 학회에서 수상하는 결과도 이뤘다. 최동휘 교수는 “프린팅 기술 관련 인재를 양성하는 4단계 BK21 사업 참여를 통해 우수한 성과가 도출됐다. 앞으로도 관련 우수 성과를 내기 위해 노력할 것”이라고 밝혔다.

권기락 학생은 좌굴 현상을 활용한 4차원 프린팅 기반 구조를 활용해 에너지 하베스터 뿐만 아니라 센서와 같은 트랜스듀서의 성능을 높이는 연구를 수행하고 있다. 그는 “다양한 구동원에서의 활용 가능성을 탐구해 압축 좌굴을 활용한 4차원 프린팅 기반 구조의 특징과 기능적 측면을 분석할 것”이라며 “이를 통해 4차원 프린팅 기반 구조의 활용분야를 넓혀가면서, 기계적 4차원 프린팅 기술의 가이드라인을 제시하고 싶다”는 포부를 밝혔다. 본 성과는 한국연구재단의 우수신진연구자지원사업 및 4단계 BK21 사업의 지원으로 이루어졌다.

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- 최동휘 교수 연구자 정보
- 최동휘 교수 연구실

글 김율립 yulrip@khu.ac.kr
사진 정병성 pr@khu.ac.kr

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