최근 한 과학자 팀이 바람과 빗방울로부터 전기를 포집하고 발전할 수 있는 소형 인공 발전 기기를 개발해 지속 가능한 녹색 신재생 에너지 업계의 주목을 받고 있다.

미국 보스턴 노스이스턴 대학, 영국 글라스고 대학, 베이징 중국과학원의 나노과학과 공학 분야 과학자들로 구성된 연구진은 최근인 2024년 1월 2일 『서스테이너블 케미스트리 앤드 엔지니어링(Sustainable Chemistry & Engineering)』 지(ACS Publications)에서 연구 결과 논문을 발표하고, 태양광, 풍력, 비 등 다양한 원천으로부터 에너지를 포집한 후 전기를 생상하는  ‘다원천 에너지 시스템(Muti-energy system)’ 기술의 가능성을 제시했다.

♢ 태양광, 풍력, 빗방울 마찰력 다원천 신재생 에너지 발전 

이 연구진이 이룩한 혁신의 핵심은 태양광과 바람과 낙수 등 운동 역학적 에너지 등에 이르기까지 자연계 존재하는 다양한 원천(multi)의 에너지원을 동시다발적으로 포집해 전기 에너지로 전환시켰다는 것이다.

운동 역학적 풍력을 수집하기 위해 연구진이 개발한 혁신적 기술은 ‘마찰 전기 나노 발전기(triboelectric nanogenerator, 줄여서 TENG)’ 시스템이다.

연구진은 시범용으로 잎사귀 모양으로 소형 빗방울과 바람 포집 발전기를 플라스틱 가짜 화초에 부착시킨 모형을 제작했다. 

이렇게 해서 자연 상태에 노출된 가짜 플라스틱 화초가 태양력, 풍력, 빗방울이 가한 운동 역학 작용으로 LED 조명등 10개를 점화시킬 수 있는 양의 전력이 생산된다.

이 발전기 구조는 테플론(teflon)과 구리 집전극 두 장 사이에 여러층의 인조 나일론 섬유를 샌드위치처럼 포갠 형태를 띤다. 외부 환경으로부터 받은 바람이나 빗방울이 떨어질 때 파장이나 충격을 받을 때마다 정전하가 발생하면 이를 전기로 전환시키는 원리다.

♢ 빗방울 이용한 DEG 전기 발전 기술

빗방울은 잘만 활용하면 높은 전압을 발생시키는 전기 발전용 원천이다. 일명 ‘액적 기반 에너지 발전(droplet based energy generator, 줄여서 DEG)’을 응용한 이 설계에도 테플론 소재가 사용된다. 내부에 장착된 구리와 섬유 뭉치로 된 전도체가 전극(electrode) 역할을 하는 사이, 테플론 코팅은 인공 화초(소형 발전기) 표면에 방수막 역할을 한다.

실내 관상용 플라스틱 화초를 연상시키는 인공 식물 형상의 소형 신재생 에너지 발전 시스템 디자인은 연꽃잎 표면에 물이나 오물이 떨어져도 젖지 않고 깨끗하게 유지되는 ‘연잎 효과(lotus effect)’를 응용한 사례다.

연구진은 가짜 플라스틱 화초에 부착시킨 소형 전력 발전기를 이상적인 규모와 상태로 설계할 경우 TENG은 시스템은 252 볼트, DEG는 113 볼트의 전력을 생산할 수 있다고 주장하고,  천연 자연 환경과 기후를 이용해 에너지 발전이 가능하다는 점에 착안해 특히 햏안이나 산악 지방에서 가정용 스마트 조명과 사물인터넷(IoT) 장비용 녹색 신재생 에너지원으로 응용될 방안을 물색중이라고 말했다.