내리는 눈에서 정전기 수확해 전력 생산… UCLA '눈 기반 트리보일렉트릭 나노발전기' 개발

눈 내리는 지역 재생에너지 난제 해결할 새 장치

눈 내리는 지역에서는 풍력 터빈, 태양광 등 친환경 재생 에너지원에 접근하기 어렵습니다. 짧은 일조 시간, 긴 구름 덮개, 영하 온도, 폭설 등 극한 기상 조건이 에너지 생성을 방해합니다.

여러 대체 기술이 이런 지역 기상 조건을 활용해 더 실행 가능한 에너지 생성 전략을 제시합니다. 하지만 일반적인 기상 센서와 기상 관측소는 극한 환경 작동 능력, 복잡한 설계, 비용, 효과적 작동을 위한 지속 가능한 전원 필요 등 많은 한계가 있습니다.

최근 UCLA(캘리포니아대 로스앤젤레스) 연구진이 내리는 눈에서 전기를 생성할 수 있는 새로운 장치를 개발했습니다. 저렴한 최초 장치로 플라스틱 시트처럼 유연합니다.

눈 기반 트리보일렉트릭 나노발전기

이 영리한 장치는 내리는 눈 양, 눈 방향, 풍속을 측정할 수 있습니다. 나노발전기는 정전기를 통해 전하를 생성하고 전자 교환으로 에너지를 만듭니다.

한 물질이 다른 물질과 상호작용할 때 전자를 포착하고 다른 물질은 전자를 내줍니다. 이렇게 전하를 분리해 정전기를 생성합니다.

이 경우 눈은 양전하를 띠고 전자를 내줄 준비가 돼 있습니다. 연구팀은 실리콘(silicone)이라는 합성 고무 재질 소재를 사용했습니다. 산소와 실리콘 원자, 수소, 탄소 등 원소로 구성됩니다. 이 물질은 음전하를 띠므로 눈과 접촉하면 장치가 포착해 전기를 생산하는 전하가 생성됩니다.

참고: Science Direct | DOI:10.1016/j.nanoen.2019.03.032 | UCLA

이 저비용 3D 프린팅 장치는 전하를 포착하는 전극과 실리콘 시트로 구성됩니다. 실리콘은 생체의료 임플란트부터 전기선 절연체까지 광범위한 제품에 널리 쓰여 구하기 쉬워 제작이 쉽습니다.

최고 성능을 위해 물질이 가능한 많은 전자를 모을 수 있어야 합니다. 연구진은 이 작업을 위한 다양한 소재를 테스트했고, 실리콘이 테플론과 알루미늄 호일 등 다른 소재보다 더 많은 전하를 생성함을 발견했습니다.

구체적으로, 장치는 0.2 mW/m² 전력 밀도와 최대 8V 개방 회로 전압을 생성할 수 있습니다. 기존 태양광 패널과 통합해 눈 내리는 조건에서도 지속적인 전력 공급을 얻을 수 있습니다.

기타 용도

나노발전기는 스키 등 동계 스포츠를 정확히 모니터링하고 점프, 달리기, 걷기 시 선수 경기력을 향상시킬 수 있습니다. 스마트워치로 감지할 수 없는 크로스컨트리 스키 주요 움직임 패턴 등 매개변수도 식별할 수 있습니다.

차세대 자가 구동 웨어러블 기기가 선수 경기력을 더 잘 추적하고 행진, 점프, 걷기, 달리기 여부를 보여주는 데 도움이 될 수 있습니다.