연구성과

기계 김동성 교수 공동연구팀, 나방 눈 모사 유리로 흐린 날씨에도 태양광 발전 맑음

2019-03-19 284

[김동성 교수와 기계연 임현의실장 공동연구팀, 태양광 패널 보호 유리에 나방 눈 모사한 무반사 자가세정 유리 및 마찰전기 수확장치 개발]

연구성과_상세_김동성교수팀

야행성인 나방은 주로 밤에 활동하지만, 야행성 동물들과 달리 깜깜한 밤에 작은 빛을 받아도 눈이 반짝이지 않는다. 나방 눈 안에 나노 크기의 작은 돌기가 가득 덮여 있어 가시광선의 파장보다 작고, 겹눈으로 여러 방향의 빛을 흡수해 받은 빛을 다시 반사하지 않기 때문이다. 이런 나방의 눈을 모사해 빛 투과도를 높여 날씨에 구애받지 않는 에너지 수확장치가 개발돼 학계의 관심이 집중되고 있다.

기계공학과 김동성 교수‧박사과정 유동현 씨팀과 한국기계연구원(이하기계연, 원장 박천홍) 나노자연모사연구실 임현의 실장‧박승철 박사, 경희대 최동휘 교수 연구팀은 공동연구를 통해 태양광 패널 표면에 무반사 자기세정 유리를 적용하여 마찰전기를 일으키는 기술을 개발했다. 패널 표면에 태양광이 반사되지 않아 더 효과적으로 집광할 수 있고 비가 오면 빗방울이 나노구조물로 이뤄진 표면에 균일하게 흘러 안정적으로 마찰전기를 얻을 수 있다.

연구팀은 태양광 에너지의 효율이 흐리거나 비가 오는 등 날씨에 따라 크게 저하되는 것을 보완하기 위하여 나노구조의 표면을 적용한 마찰전기 수확 장치를 개발했다. 지금까지 태양광 에너지의 효율을 높이기 위해 떨어지는 빗방울의 마찰을 이용한 마찰전기 수확 아이디어가 제안되기는 했지만 태양광 패널에 항상 사용되는 보호유리와 유사한 광학적 성능을 갖는 마찰전기 수확장치를 개발한 것, 태양전지와 마찰전기 수확장치가 결합된 시스템 내부에서 전력전달을 고려한 회로를 제안한 것은 이번이 처음이다.

연구팀은 빛을 잘 흡수하는 나방의 눈 구조에 주목했다. 나노 크기의 작은 돌기가 균일하게 뒤덮여 있는 나방 눈 구조를 모사한 유리로 태양 전지 표면을 덮자 태양광이 반사되지 않아 더 효과적으로 빛을 모을 수 있었고, 비가 내릴 땐 빗방울이 나노 돌기 위로 균일하게 흘러 표면에 압력을 가해 안정적으로 마찰전기를 얻을 수 있었다.

연구팀은 불규칙적으로 발생하는 마찰전기 수확장치의 전기 에너지를 안정화시킨 뒤, 전력전달 시점을 조절하는 스위치 기반 회로를 적용하였다. 이를 통해 전체 시스템의 에너지 생산 효율을 높일 수 있다.

또 빗물이 흘러가면서 먼지와 같은 이물질을 없애주는 자가 세정 효과까지 확인돼 비가 올 때마다 태양전지 패널의 효율을 감소시키는 먼지까지 제거할 수 있어 태양전지의 장기적인 성능 유지도 기대할 수 있게 됐다.

개발된 기술을 적용하면 태양전지 패널의 빛 반사를 줄여 태양전지의 효율을 높이면서도 햇빛의 양이 부족해 태양광 패널을 쓰기 어려웠던 지역이나 비가 자주 오는 지역에서도 에너지를 만들 수 있다. 또한 자기세정 효과 덕에 관리가 쉬어 유지보수 비용을 줄일 수 있다.

이 연구는 대학과 정부 출연연 등 다른 기관의 실험실에서 보유하고 있는 마찰수확 기술과 나방 눈 모사 반사방지 기술이 융합되어 얻어진 기술이라는데 의의가 크다. 연구성과는 세계적 권위지인 ‘나노 에너지(Nano Energy)’ 3월호를 통해 발표되었다.

또한, 한국연구재단 중견연구자 지원사업, 한국기계연구원 기관고유사업의 지원으로 수행됐다.