21소음·진동

January 2019

특집: 소음진동기반융복합기술

1. 머리말

바다의운동에너지를전기에너지로변환하는것

을 해양 에너지 하베스팅이라고 한다. 해양 에너

지하베스팅은조석간만의차이, 파도의운동, 조

류의 흐름, 수심의 온도차이 등을 이용하여 전기

에너지를 생산한다. 그러나 이러한 에너지원과을

기존 기술들을 활용하여 발전할 때 소요 비용이

커 상용화 하는데에는 많은 제약이 있었다. 이러

한 문제점을 극복하고자 마찰전기 발전기

(triboelectric nanogenerator, TENG)를 이용한

해양 에너지 하베스팅 연구가 시작되었다. 2012

년 Zhong-Lin Wang에 의해 최초로 개발된 마찰

전기발전기는높은발전효율과간단한구조, 저

렴한재료로제작할수있다는장점이있다. 이글

에서는해양에너지하베스팅을위한마찰전기발

전기 기술을 소개하여 관련 연구 및 관심을 활성

화하고자한다.

2. 마찰전기발전기작동원리와동작방식

마찰전기 발전기는 서로 다른 물체가 접촉하여

발생하는 대전현상과 정전유도현상의 반복으로

전기를 생산한다. 그림 1과 같이 Kapton과

PMMA가 접촉하여 대전하면 Kapton은 음전하

로, PMMA는양전하로대전된다. 대전된상태에

서 마찰 물질 위에 전극을 고정시켜 전선으로 연

결하고두물질이분리되기시작하면전기적인균

형을 이루기 위하여 전자가 이동하게 된다. 이러

한 원리로 마찰전기 발전기는 기계적인 운동에너

그림 1 마찰전기발전기원리(1)

(a) Initial state (b) Prossed (c) Releasing

(d) Released(e) Prossing

* E-mail : ikoh@kaist.ac.kr

마찰전기발전기를이용한해양에너지하베스팅기술현황

김종 남, 한 관 우, 오 일 권*

(한국과학기술원 해양시스템공학전공)

소음진동기반융복합기술

특집특집

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22소음·진동제29권 제1호, 2019년

특집: 소음진동기반융복합기술

지를전기에너지로변환한다(1).

마찰전기 발전기는 그림 2와 같이 대전 방법에

따라 4가지 동작 방식으로 에너지를 변환한다(2).

첫번째로는 vertical contact and seperation 방식

이다. 두 개의 마찰물질이수직방향으로접촉과

분리를반복하면서전기에너지를얻는방식이다.

두 번째는 sliding 방식이다. 대전 물질이 수직이

아닌 수평으로 접촉하여 대전현상을 만들어 전자

의 이동을 유도한다. 세 번째 방식은 single

electrode 방식이다. Single electrode 방식은이름

그대로단일전극을사용한다. 다른방식에비하여

효율은낮지만마찰물질이자유롭게이동할수있

다는 장점이 있다. 마지막 방식은 freestanding

triboelectric layer 방식이다. 이 방식은 sliding

방식과비슷하지만전극과전선이마찰물질과분

리되어있어마찰재가자유롭게움직일수있으며

작은운동으로부터비교적많은전기에너지를생

산할수있다.

3. 마찰전기발전기를이용한해양에너지하베스팅연구현황

마찰전기 발전기는 대전과 정전기 유도현상을

바탕으로전기에너지를생산하기때문에온도, 습

도, 마찰재료의부식등외부환경에많은영향을

받는다. 그래서 해양 환경에서 안정된 성능을 유

지하기위하여밀폐형마찰전기발전기에대한연

구가진행되었다(3).

Wen 등은 그림 3과 같이 구리, Kapton, PTFE

필름으로충격과압축, 진동으로구동하는마찰전

그림 2 마찰전기발전기의동작방식(2)

그림 3 구리, Kapton, PTFE 필름으로충격과압축, 진동으로구동하는마찰전기발전기를제작하고성능을측정(4), (a) 주름전극을가지는마찰전기발전기, (b) 실험환경, (c) 출력전압, (d) 출력전류

(b)(a)

(c)

(d)

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23소음·진동

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특집: 소음진동기반융복합기술

기 발전기를 제작하고 성능을 측정하였다(4). 외부

에서충격이나힘이들어오면주름진전극은확장

되어 PTEF 필름 사이에서 슬라이딩이 일어나며

전기에너지를생산한다. 외부힘이사라지면마찰

전기 발전기의 자체 강성에 의하여 초기 상태로

돌아간다. 이러한마찰전기발전기를바다위에띄

우면 파도의 충격에 의하여 전기에너지를 생산할

것이다. 그림 3(b)와 같은 실험 환경에서 파고가

0.2 m, 파속이 1.2 m/s로마찰전기발전기를가진

하여최대전압은 30 V, 전류는 6 uA가발생함을

확인하였다.

Wang 등은 저주파수 대역의 파도의 움직임을

이용하여 에너지를 생산하기 위하여 rolling-

spherical freestanding 마찰전기 발전기(RF-

TENG)를 개발했다(5). RF-TENG은 그림 4와 같

이 공모양의 공간안에 Al 전극과 Kapton 필름을

붙이고그위를나일론공이자유롭게움직이면서

전기에너지를 생산한다. RF-TENG은 무게가 가

벼워다른부가장치없이물위에뜰수있는장

점이 있다. 또한 불규칙한 해양 환경에서 효과적

으로발전할 수있다. 그림 4(b)와같이시스템의

최적화를통하여 1.43 Hz에서 24 nC의전하를충

전하였고 1.2 uA의전류를생성했다.

Ahmed 등은 불규칙하고 저주파수 대역의 파도

움직임을 효율적으로 이용하기 위해 edinburgh

duck에서 영감을 받아 그림 5와 같이 duck-

shaped 마찰전기발전기를제작했다(6). 기본원리

는앞서설명된 RF-TENG과비슷하다. 파도에의

해 duck-shaped 마찰전기 발전기가 회전하면서

내부에 있는 나일론 공을 움직이게 만든다. 나일

론공은 Kapton 필름위에서움직이며전기에너

지를 생산한다. 그림 5(b)와 같이 2.5 Hz로 수조

안의물을가진시켜최대전압은 325 V, 최대 전

류는 65.5 uA를얻었다.

Xu 등은해양환경에서마찰전기발전기의성능

을높이기위해서공기구동식멤브레인을사용하

여 마찰전기 발전기를 제작하였다(7). 그림 6(a)와

같이 2개의 공기 챔버와 아크릴 분리대가 고무밴

드가 달려있는 바깥쪽 셸과 연결되어 있다. 수면

이 상승하거나 하강할 때 발생하는 챔버 내부 압

력차에의한힘으로마찰재와전극이접촉하는것

을이용하여전기에너지를생산한다. 38개의마찰

전기발전기를결합하여 2.9 Hz로가진한결과최

대전압약 600 V, 최대전류는 187 uA을얻었다.

또한그림 6(f)와같이수조에서직접띄워서 600

개의 LED를동시에작동시켰다.

그림 4 전기에너지생산(5), (a) RF-TENG의구조, (b) 성능실험

(b)

(a)

그림5 Duck-shaped 마찰전기발전기(6); (a) duck-shapedTENG의구조, (b) 실험사진

(b)

(a)

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하지만해양환경에서마찰전기발전기한개로

발전할수있는전력은매우작다. 절대적인발전

량을높이기위하여 Wang 등은 2014년에 TENG

network라는 아이디어를 제안하였다(2). 그림 7과

같이수많은볼모양의 TENG을그물로연결하여

바다에설치한후파도의움직임을전기에너지로

변환한다.

Chen 등은 Wang의 아이디어를 기반으로 그림

8과 같은 박스 모양의 마찰전기 발전기를 배열하

여 TENG network를 구현하였다(8). 파도가 마찰

전기 발전기에 충격을 주면 내부의 메탈 공이 벽

과 부딪혀 대전되는 현상으로 전기를 생산한다.

마찰전기발전기내부의 layer를병렬로연결시켜

출력 전류를 상승시키고 마찰전기 발전기들을 직

렬로 연결하여 전압을 상승시켜 전체적인 전력을

상승시켰다. 이러한 TENG network를 1 km2의

영역에설치한다면 1.15 MW를생산할수있다고

예상된다.

4. 맺음말

지금까지 마찰전기 발전기를 이용한 해양 에너

지하베스팅기술을살펴보았다. 마찰전기발전기

는 제작이 용이하고 변환 효율과 생산 전력 밀도그림 8 TENG network를구현(8), (a) 박스모양의

TENG, (b) TENG network

(b)

(a)

그림 6 공기구동식멤브레인을사용하여마찰전기발전기를제작(7), (a) 공기구동식멤브레인구조의 TENG, (b) TENG 배열구조, (c) 구동원리, (d) 출력전류, (e) 축적전하, (f) 공기구동식멤브레인구조의TENG 사진및성능

(b) (c)

(f)(e)(d)

(a)

그림 7 TENG network 개념도(2)

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특집: 소음진동기반융복합기술

가크기때문에상용화하여실생활에적용하고기

존성능을더욱향상시키기위해서앞으로도많은

연구가진행될것이다. 현재해외연구진뿐만아

니라카이스트, 성균관대, 유니스트, 경희대, 중앙

대등에서마찰전기발전기와관련된다양한연구

를 진행하고 있다. 멀지 않은 미래에 국내에서도

마찰전기 발전기가 사용된 해양 에너지 하베스팅

기술을상용화시킬수있을것이다.

참고문헌

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Y., Zhou, Y. S., Yu, R. M. and Wang, Z. L.,

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(7) Xu, L., Pang, Y., Zhang, C., Jiang, T., Chen,X., Luo, J., Tang, W., Cao, X. and Wang, Z.L., 2017, Integrated TriboelectricNanogenerator Array based on Air-drivenMembrane Structures for Water WaveEnergy Harvesting, Nano Energy, Vo. 31,pp. 351~358.

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