우리 학교 기계공학과 경기욱 교수 연구팀이 지난달 4일 발걸음에서 얻어지는 충격 에너지를 전기 에너지로 전환하여 태양광 패널의 먼지를 제거하는 기술을 개발했다고 밝혔다. 연구팀이 개발한 기술은 사람들이 패널 주변을 걸어 다니는 것만으로도 도심 속 태양광 패널들을 친환경적으로 청소할 수 있는 방법이라는 의의가 있다.

마찰전기 발전기에서 먼지 제거 기술 개발까지

 연구팀의 첫 목표는 사람들이 보행할 때 버려지는 에너지를 수확하는 마찰전기 발전기를 제작하는 것이었다. 마찰전기 발전기는 거의 모든 기계적인 움직임을 전기 에너지로 변환할 수 있는 친환경적인 에너지 하베스터(energy harvester)로, 두 물체를 마찰시켜 발생하는 정전기를 이용해 고전압을 얻을 수 있다. 그러나 일반적인 마찰전기 발전기는 작동 원리상 마찰이 필수이기 때문에, 발걸음과 같은 충격에서 에너지를 효율적으로 수확하기 어려웠다.

 또한 일반적인 마찰전기 발전기는 한 번의 충격을 가하면 한 번의 고전압 출력만을 발생시킨다. 그러나 먼지 제거 태양광 패널을 구동하기 위해서는 오래 지속되는 고압의 전류가 필요했다. 따라서 연구팀은 에너지 전환 효율이 높으면서도 고압의 교류 전류가 오래 지속되는 새로운 마찰전기 발전기를 설계하여, 발걸음이 만드는 충격 에너지만으로도 태양광 패널의 먼지를 제거할 수 있는 기술을 개발하게 되었다.

먼지 제거 태양광 패널의 구조

 먼지 제거 태양광 패널의 표면 위에는 두 개의 전극이 깍지(interdigitate) 형태로 배치되어 있다. 두 전극에 교류 고전압을 가하면 패널 표면에 진동하는 강한 전기장이 생성되어 패널의 먼지를 털어낼 수 있게 된다. 하지만 강한 전기장을 만들기 위해서는 작동에 수 킬로볼트(kV)의 교류 고전압이 필요했다.

 연구팀은 발걸음에서 나오는 충격을 진동하는 고압의 전류로 변환하기 위해 캔틸레버 구조와 전하 충전구조를 이용했다. 캔틸레버 구조는 한쪽 끝은 고정되고 다른 끝은 받쳐지지 않은 상태의 구조로, 충격을 가했을 때 진동하는 특징이 있다. 또한 전하 충전구조는 마찰전기 발전기로 금속 전극을 충전하는 구조를 의미한다. 연구팀은 전하 충전구조를 사용해 마찰전기 발전기로 금속을 충전하고, 금속 전극이 캔틸레버 끝에서 마찰 없이 진동하도록 했다. 그 결과 충격을 가했을 때 진동하는 고압의 전류를 만들어낼 수 있었다. 

 개발한 마찰전기 발전기는 충격을 가했을 때 에너지의 손실 없이 진동하며 회당 약 10초가량의 교류 고전압을 발생시킬 수 있다. 또한 약 50.8%에 달하는 높은 에너지 변환 효율을 보여주었으며, 2.6kVpp의 최대 전압이 발생했다. 이는 먼지 제거 패널을 작동할 수 있을 만큼의 높은 출력이다. 또한 실제로 시연한 결과 열두 걸음을 걷는 동안 태양광 패널 표면에 있는 먼지의 약 79.2%를 제거하였다. 먼지가 제거된 후 태양광 패널의 출력이 증가함도 확인했다.

마찰전기 발전기를 이용한 먼지 제거 기술의 응용 가능성

 연구팀은 먼지 제거 태양광 패널이 가장 효과적으로 먼지를 제거할 수 있는 최적의 구조를 찾기 위해 연구를 이어 나가고 있다. 개발된 기술이 상용화된다면 길거리에 지나가는 사람이 지면에 가하는 발걸음만으로 손이 닿지 않는 곳에 있는 태양광 패널을 친환경적으로 청소할 수 있을 것으로 전망된다. 더불어 태양광 패널만이 아니라 먼지가 쌓인 유리 구조물이나 건물을 청소할 때도 이용할 수 있을 것으로 기대된다.

 이번 연구에 제1 저자로 참여한 마지형 기계공학과 박사과정은 연구가 어려울 때마다 조언으로 이끌어준 경 교수에게 감사를 전했다. 연구팀이 개발한 태양광 패널의 먼지 제거 기술은 탄소 중립 실현에 중요한 태양광 발전의 효율을 높일 수 있는 친환경적인 연구 성과다.