[테크월드=선연수 기자] 과학자들은 항상 에너지를 생산하고 공급하는 새로운 방법을 모색한다. 이런 연구는 에너지에 대한 수요가 증가함에 따라 더욱 늘어날 것이며, 최근 전 세계적인 인구·기술 성장과 함께 계속 커질 것으로 예상된다.
대부분의 과학자는 자연에서 더 많은 에너지를 수확하기 위해, 많은 양의 에너지를 생산하는 것과 기존 장치의 효율을 높이는 것에 관심을 가지고 있다. 최근에는 나노 기술 커뮤니티 사이에서 소량의 에너지를 수확하는 나노 크기의 장치를 제작하는 기술이 판을 점차 넓혀가고 있다.
많은 이들이 작은 에너지를 수확하는 장치의 요점이 무엇인지 궁금해한다. 이는 건강 모니터링, 환경 모니터링, 무선 전송, 센서, 사물인터넷(IoT) 네트워크 애플리케이션 등에서 사용되는 소형 원거리 장치에서, 전력을 자체적으로 공급해야 하는 경우 등에서 잠재력이 매우 높은 기술이다.
나노 발전기란?
간단히 말해, 나노 발전기(Nanogenerator) 내에서 물리적 변화를 통해 기계적 또는 열적 에너지를 전기로 변환하는 장치를 말하며, 대표적으로 ▲압전(Piezoelectric) 나노 발전기 ▲마찰 전기(Triboelectric) 나노 발전기 ▲초전성(Pyroelectric) 나노 발전기가 있다. 각자의 내부 구조와 에너지 수확 메커니즘은 나노 발전기마다 다르며, 이를 이해하기 위해서는 개별적인 고찰이 필요하다.
압전 나노 발전기
나노 발전기는 압전 효과, 즉 기계적 응력(Mechanical stress)이나 변형을 통해 전하를 생성하는 물질을 사용해, 운동에너지를 전기 에너지로 변환하는 기술 장치다.
이는 사용되는 물질에 따라 매우 다양한 구조를 가질 수 있다. 우르자이트(Wurtzite)나 섬아연석 격자구조로 이뤄진 고체 물질에서부터 페로브스카이트(Perovskite)나 특정 중합체(Polymer)에 이르는 다양한 유형의 물질을 사용할 수 있다.
이 물질들은 나노 와이어 형태로 만들어진 후, 쇼트키 접점을 생성하기 위해 금속 레이어 위에 수직 또는 측면으로 형성된다. 일부 나노와이어들은 중합체 매트릭스에 내장될 수 있다. 구조적인 부분을 떠나, 나노 발전기 내의 모든 나노와이어는 양 끝의 전극에 연결돼 있다.
활성화된 압전 구성 요소들의 배열에는 다양한 방식이 있기 때문에, 이들의 메커니즘이 하나로 다 통하는 것은 아니다. 그러나 압전 나노 발전기는 일반적으로 두 가지 메커니즘을 가진다.
첫 번째는 각각의 나노와이어에 수직으로 힘을 가하는 방식이다. 힘의 수직적 운동을 통해 이뤄지며, 압전 물질은 이동 팁(Tip)으로부터 가해진 힘을 느끼게 된다. 이 팁은 전기장을 만들어내는 압전 나노 발전기의 변형을 일으키며, 이때 물질의 늘어나거나 압축된 부분은 나노와이어 내 이온들의 변위로 인해 각각 앙전위, 음전위를 띠게 된다. 양이온과 음이온 모두 변위돼 나노와이어 내 전하가 분리되고, 그다음 팁의 표면에서 전위가 발생하며, 반대편 표면은 접지로 작동한다. 이때 금속 레이어가 쇼트키 접점으로써 나노 와이어 옆에 사용되기 때문에, 전자의 이동과 전류의 생성을 돕는다.
두 번째 메커니즘은 단축 압축(Uniaxial compression) 방식이다. 이는 나노와이어의 한쪽 끝이 쇼트키 접점에 연결되고, 다른 쪽 끝은 옴(Ohmic) 접점에 연결되는 장치에 사용된다. 압축력이 나노와이어의 한쪽 끝에 작용해, 나노와이어의 쇼트키 끝에서 압전 음전위가 발생한다. 또한, 외부 전기 회로를 통해 전자가 위에서 아래로 흐르도록 하며, 나노와이어의 페르미 레벨이 증가하도록 만들어 전류를 발생시킨다.
마찰전기 나노 발전기
마찰전기 나노 발전기(Triboelectric Nanogenerators)는 외부의 기계 에너지를 전기 에너지로 변환하는 장치로 다음의 2가지 원리에 의거한 방식을 따른다.
▲마찰 전기 효과: 접촉 대전의 한 형태로, 마찰력에 의해 물질이 전기적으로 대전되는 것
▲정전기 유도: 주변의 다른 대전 입자들로 인해 전자가 분포되는 것
이런 원리가 적용되는 나노 발전기들은 다음의 여러 가지 메커니즘을 따른다.
▲기계적 응력으로 인해 나노물질들이 변형된 후 방출되는 메커니즘으로, 전하가 다른 두 개의 물질로 분리돼 전기장을 생성함으로써 전류가 흐르는 방식
▲두 개의 나노 물질이 미끄러져 서로 마찰을 유발하며, 나노물질을 분리하기 위해 유사 전하를 이동시킴으로써 전기장과 전자의 이동을 유도해 전류를 형성하는 방식
▲하나의 나노 물질에 특정 전하를 유도하는 전극을 사용하는 방식으로, 이는 두 번째 나노 물질에 반대되는 전하를 생성해 전자를 다른 물질로 이동시킴으로써 전류가 유도되는 방식
특정 메커니즘과 관계없이, 나노 크기의 두 종류의 필름(자연적으로 유기물이거나 무기물일 수 있음)은 반대되는 트리보 극성(Tribo-polarities)을 가지며, 이는 전하 이동 메커니즘을 유도해 궁극적으로 전기장을 생성하고, 나노 물질 간 전자의 이동, 전류의 생성을 이뤄낸다.
초전성 나노 발전기
초전성 발전기는 초전성 물질을 이용해 따뜻함과 같은 외부 열에너지를 전류로 변환하는 메커니즘으로, 온도 변화에 따라 전류가 발생하는 원리다.
이와 같은 나노 발전기에 적용할 수 있는 물질은 다른 나노 발전기들에 비해 다양하지 않으며, 다른 강자성(Ferroelectric) 물질이나 우르츠광 결정 구조의 고체 물질을 종종 사용하고, 이 물질들은 전극의 한쪽 끝에서 연결된다. 초전성 나노 발전기의 메커니즘은 다음과 같다.
▲첫 번째 메커니즘은 나노 발전기 내부의 나노 물질들의 물리적 변화를 포함하지 않으며, 대신 전기 쌍극자의 움직임을 포함하는 방식이다. 이 쌍극자의 방향은 실온에서는 자연스럽게 변하지만, 외부에서 나노 발전기 주변에 더 높은 고온 환경이 조성될 때, 쌍극자가 더 많이 움직이며 진동을 일으킨다. 이는 결국 전극의 유도 전하(나노물질에서 쌍극자에 의해 유도된 전하)의 수를 낮추며, 이로 인해 전자가 흘러 전류가 발생하게 된다.
▲두 번째 메커니즘은 온도 변화에 따른 물리적 변화를 이용하는 방식이다. 부분적으로 온도가 높아질 때 나노 물질들이 열팽창과 함께 변형되며, 물질 내에서 압전 전위차가 발생하게 된다. 이로 인해 전자가 외부 회로로 이동함으로써 전류가 형성된다.
결론
물리적인 이동이나 열에너지로부터 전기를 만들어낼 수 있는 다양한 유형의 나노 발전기들이 존재한다. 이렇게 생성된 전기들은 작지만, 소형 원격 장치에 전력을 자급자족하기에는 충분한 양이다. 향후 원격 모니터링 애플리케이션, IoT 네트워크 장치들에 적용될 것으로 기대되며, 차세대 디바이스에 대한 잠재력이 큰 기술이다.
자료제공: 마우저 일렉트로닉스
글: 리암 크리츨리(Liam Critchley)
- 이 글은 테크월드가 발행하는 월간 <EPNC 電子部品> 2019년 10월 호에 게재된 기사입니다.
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