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- 서로 접착된 호일을 흔들거나 반복적으로 누르면 전기가 발생한다.
- 테스트에서 미니 발전기는 400개의 LED 또는 레이저 다이오드에 전기 공급하기에 충분

테이프 전기
Triboelectric* Minigenerator는 일상적인 재료에서 전기를 생산한다.

마찰전기 효과(마찰전기 충전이라고도 함)는 특정 물질이 접촉하고 있던 다른 물질로부터 분리된 후 전기적으로 대전되는 일종의 접촉 대전이다.

간단하지만 효과적이다. 양면 접착테이프와 알루미늄으로 코팅된 플라스틱 포일은 실험에서 알 수 있듯이 전기를 생성하기에 충분하다. 이러한 일상적인 재료가 결합되면 마찰 전기 발전기를 형성하기 때문이다. 서로 접착된 호일을 흔들거나 반복적으로 누르면 전기가 발생한다. 테스트에서 이러한 미니 발전기는 400개의 LED 또는 레이저 다이오드에 전기를 공급하기에 충분했다. 

 

▲ 연구 개요도 (출처: 관련논문 Power Generation by a Double-Sided Tape)

추세는 모바일 발전으로 향하고 있다. 미래에는 LED, 센서 또는 미니 컴퓨터가 압전 또는 마찰 전기 나노 발전기에서 전력을 생성하여 배터리 없이도 작동할 수 있다. 여기에서 마찰, 압력 또는 재료 층의 이동으로 인해 전기로 꺼질 수 있는 전하 변화가 발생한다. 신발 밑창, 바닥 또는 옷에 내장된 이러한 나노 발전기는 최소한 소형 장치를 구동할 수 있다.

테이프와 알루미늄 호일로 만든

"2012년에 발명된 이래 마찰전기 나노발전기(TENG)는 소형 에너지 수확에 대한 가장 유망한 후보 중 하나였다. 그러나 이전 TENG는 구조가 복잡하고 제조 비용이 비쌌다. 따라서 연구원들은 간단하고 쉽게 구할 수 있는 구성 요소를 사용해 나노 발전기와 비슷한 성능을 달성할 수 있는 방법을 찾았다.

팀은 이를 위해 값비싼 부품이나 복잡한 생산 단계가 필요하지 않은 새로운 개념을 개발했다. 마찰 전기 발전기에는 양면테이프와 알루미늄 코팅된 PET 플라스틱 시트만 있으면 된다. 둘 다 철물점이나 온라인에서 쉽게 구할 수 있는 재료다. "우리의 발전 개념에는 특별한 제조 방법도 필요하지 않다"고 장과 그의 동료들은 설명한다.

▲ 그림 1. (a) 양면 테이프와 Al/PET 시트를 사용한 접촉 분리 마찰 전기 발전기의 개략도. (b) 모달 셰이커가 있는 실제 마찰 전기 발전기 구성의 그림. (c) 전압 진폭 및 (d) 접촉 분리 과정 동안 시간의 함수로서의 전류 값. 음수 및 양수 진폭은 각각 접촉 및 분리 과정에서 감지된다. (e) 접촉 분리 과정 동안 시간에 따른 전력 출력. (출처: 관련논문)

분리와 접촉으로 전류가 흐른다.

구성 요소는 간단히 결합하여 나노 발전기가 된다. 양면 접착테이프를 알루미늄 베이스에 붙이고 코팅된 PET 필름을 플라스틱 면을 아래로 하여 그 위에 놓는다. 이제 이러한 층이 압력에 의해 함께 압착되면 두 층 사이의 경계에서 전하 이동이 발생한다. 양면 접착테이프에는 양전하가 축적되고 필름의 PET 층에는 음전하가 축적된다.

압력이 다시 감소하고 접착 연결이 다시 부분적으로 분리되더라도 이러한 전하 차이는 방전으로 이어진다. "투과하는 공기와의 접촉은 PET 층에서 전자의 급격한 재배치를 야기한다"고 장과 그의 동료들은 설명했다. 이것은 이 층의 전하를 중성화하고 방출된 전자는 알루미늄 층 방향으로 흐른다. "층이 분리되면 양의 전압을 측정할 수 있다"고 연구원들은 말했다.

▲ 그림 2. 마찰 전기 발전기의 개략도. (a) 접촉 시 양면 테이프와 PET 층 사이의 계면에서 전하 생성이 발생한다. (b) 분리 시 양면 테이프와 PET가 전기 스파크를 일으키기 때문에 거의 모든 음전하가 PET 층에서 사라진다. Al에 남아 있는 양전하는 지상의 전자에 의해 보상된다. © Jang et al. /ACS Omega, CC-by-nc-nd 4.0

400개의 LED 또는 레이저 다이오드에 충분한 에너지

양면에 PET/알루미늄 호일이 있는 접착 테이프를 포함, 다양한 버전의 이 나노 발전기를 사용하여 과학자들이 이 접착 테이프 생성기로 전기 생성이 얼마나 잘 작동하는지 테스트했다. 필요한 움직임은 간단한 스프링 구조로 제공됐으며, 한쪽의 호일과 접착테이프, 다른 쪽의 두 번째 호일이 접촉하고 압력을 통해 반복해서 분리되었다. 두 번째 버전에서는 포일을 한쪽에 부착하여 더 세게 흔들어도 들러붙고 느슨해졌다.

결과:
간단한 나노 발전기는 21밀리와트의 우수한 출력을 생성했으며, 전력 밀도는 과학자들이 보고한 대로 평방 미터당 최대 169.6와트였다. 이는 비교 가능한 마찰 전기 나노발전기로 이전에 측정한 것보다 47% 더 많은 것이다. 테스트에서 38mm x 25mm 크기의 접착테이프 면적은 476개의 LED에 동시에 전기를 공급하기에 충분했다. 전류는 레이저 다이오드에도 충분했다.

▲ 그림 9. (a) 신발 바닥에 설치된 38mm × 38mm 영역의 마찰 전기 발전기(Al/PET/양면 테이프 및 PET/Al 구성). 브리지 정류기 회로는 AC 전원을 DC 전원으로 변환하여 51개 LED의 점등을 시연하는 데 사용된다. (b) 전압; (c) 전류; 및 (d) 4MΩ 전기 부하 하의 전력.(출처: 관련논문 Power Generation by a Double-Sided Tape)

또 긍정적인 점은 단순한 접착테이프 구조가 놀랍도록 내구성이 있음이 입증되었다는 것이다. 4만 회의 접촉 및 분리 주기 후에도 나노 발전기의 성능은 약간만 감소했다. "전력은 최대 10만 주기 동안 19~24밀리와트 범위에서 유지된다"고 팀은 보고했다. 따라서 그들은 간단하고 저렴한 나노 발전기가 예를 들어 센서, LED 또는 기타 소형 전자 장치를 구동하는 데 매우 적합하다고 생각한다.
(ACS Omega, 2022; doi: 10.1021/acsomega.2c05457)
출처: American Chemical Society

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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