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첫 번째 테스트에서 시스템은 1.2V를 생산, 휴대시계에 충분한 전기.
모바일 기기용 전기 및 센서로 사용,

그림자로 전기를 만든다
양지와 음지의 대비로 전기를 생성하는 새로운 그림자 효과 발전기

역설적으로 들리지만 연구원들이 그림자에서 전기를 생산하는 시스템을 개발했다.
금으로 코팅된 실리콘 소재는 빛의 대비로 전기를 생성한다.
이 ‘그림자 효과-발전기(SEG, Shadow effect-generator)’의 일부가 그림자에 있고, 다른 부분이 햇볕이 있는 곳에 있으면, 전자가 두 영역 사이를 흐르며, 이로써 전류가 흘러 사용될 수 있다.
첫 번째 테스트에서 시스템은 1.2V를 생성하여 휴대 시계에 충분한 전기를 생산했다.

▲ 금으로 코팅된 실리콘 웨이퍼 스트립은 빛과 그림자의 대비에서 전기를 생산한다. © Royal Society of Chemistry

빛에서 전기를 생산할 때 그림자는 바람직하지 않다.
태양 전지는 출력을 달성하기 위해 가능한 높은 햇빛 조도를 필요하기 때문이다.
예를 들어 희미한 조명에서 또는 태양광 모듈에 나무 또는 건물에 의해 음영이 생길 때, 전기 생산량은 낮다. 현재의 태양전지 효율은 약 20% 정도다.

빛의 대비가 전자를 흐르게 한다.

그러나 현재 연구자들은 현재 그림자를 사용하여 전력을 생산하는 시스템을 시연하고 있다. 국립 싱가포르대학(National University of Singapore)의 탄 스위 칭(Tan Swee Ching) 프로젝트 매니저는 “이것의 핵심은 그림자로 인한 조명 대비다. 이 대비는 시스템의 조명 부분과 음영 부분 사이의 전압 차이를 만들어 전류를 흐르게 한다”고 설명했다.

구체적으로, 소위 그림자 효과 발전기(SEG)의 셀은 금 코팅된 실리콘 웨이퍼가 적용되는 얇은 캐리어 필름으로 구성된다. 칭의 동료 앤드류 위 (Andrew Wee)는 “전체 SEG 셀이 그늘이나 빛에 있다면, 생성되는 전기는 매우 낮거나 0이다. "하지만 셀의 일부만 비추면 상당한 전기 흐름이 감지 될 수 있다."

전기 생산량은 SEG 셀의 절반이 그늘에 있고 다른 쪽이 양지에 있을 때 가장 높다.
"이것은 전하 생성뿐만 아니라 전자를 수집하고 제거하기 위한 충분한 공간을 제공한다"고 Wee는 설명했다.

프로토타입, 디지털 시계에 충분한 전력 제공

연구원들은 그림자 효과 발생기가 4개의 그러한 셀 스트립에서 얼마나 많은 전기를 생산할 수 있는지 테스트했다. Ching과 그의 연구팀은 “최적화 없이 태양광 발생기의 0.001%와 지속적인 그림자가 있는 실내 조건에서 제네릭 센티미터 당 0.14 마이크로 와트의 출력 밀도를 최적화할 수 있다”고 말했다. "이러한 조건에서 상용 실리콘 태양 전지보다 200% 더 우수하다."

4셀 섀도우 효과 발생기는 실내조명 조건에서 약 1.2V의 반 음영으로 디지털 클록을 구동하기에 충분한 전압을 생성했다. 칭은 “그림자 존재를 통해 에너지를 생성하는 이 새로운 개념은 완전히 새롭고 전례가 없는 일”이라고 말했다.

모바일 기기용 전기 및 센서로 사용

과학자들에 따르면, 이 시스템은 미래에 스마트 워치, 휴대폰 및 기타 모바일 장치와 같이 공급하거나 충전하기에 충분한 전력을 생산할 수 있다고 한다.
동시에, 그림자 효과 생성기는 모션 또는 근접 센서로도 사용될 수 있다고 과학자들은 말한다. 음영이 변하기 때문에 움직이는 물체 나 사람이 그림자를 만들면 움직임에 반응한다.

연구원들은 “비용 효율성, 단순성 및 안정성을 갖춘 그림자 효과 생성기는 주변 환경에서 전자 에너지를 공급하거나 건물 등의 스마트 센서 시스템을 보완할 유망한 아키텍처를 제공한다.

다음으로 Ching과 그의 팀은 이제 그림자 효과 생성기로서의 적합성에 대해 다른 재료를 테스트하려고 한다. 목표는 금도금을 다른 저렴한 재료로 대체하는 것이다. 또한 연구원들은 그러한 그림자 효과 발생기가 의류에 통합된 것과 같은 휴대용 발전에 적용될 수 있는지 여부와 방법을 연구할 계획이다.

(Energy & Environmental Science, 2020; doi: 10.1039/D0EE00825G)
출처 : National University of Singapore

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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