“피젯 스피너에서 착안!”

박재영 교수(전자공학과) 연구팀, 약한 바람도 전기로 바꾸는 초소형 발전기 개발

- 피젯 스피너 원리를 적용한 고출력 미풍 발전기 및 자가충전 환경 모니터링 시스템 개발 -

- 실생활 적용가능한 자가충전 실내외 환경 모니터링 플랫폼으로 활용 기대 -

- 국제 저명 학술지, 엘시버 출판의 에너지 컨버전 앤드 매니지먼트 논문(IF: 10.7) 게재 -

모교 전자공학과 박재영 교수 연구팀이 풍속 3m/s 이하의 약한 바람에서도 효율적으로 고출력 전기를 생산할 수 있는 새로운 개념의 하이브리드 에너지 하베스터(에너지 수확기)를 개발했다. 이번 발전기는 전자기력 발전기(EMG) 와 마찰전기 나노발전기(TENG)를 결합해 기존 기술의 한계를 극복한 것이 특징이다.

<박재영 교수(좌), 쿠마르박사(우)>

연구팀은 흔히 손장난감으로 알려진 ‘피젯 스피너(fidget spinner)’의 원리를 응용했다. 이를 통해 바람의 세기와 방향이 일정하지 않은 상황에서도 로터(회전축)가 오랫동안 회전할 수 있어 안정적으로 전기를 생산할 수 있다. 실제로 개발된 로터는 무게 중심이 균형 있게 설계되고 가장자리에 질량이 집중돼 관성 모멘트가 커, 한 번 회전이 시작되면 25초 이상 계속 돌아간다. 이 덕분에 바람이 약하거나 일시적으로 멈춰도 발전이 가능하다.

기존의 풍력 발전기는 일반적으로 큰 날개를 사용하는 전자기 발전 방식으로, 설치 비용이 높고 강한 바람이 필요하다는 단점이 있었다. 최근에는 약한 바람에서도 발전할 수 있는 마찰전기 나노발전기가 도입되었지만, 출력이 낮아 실용성이 떨어졌다. 일부는 두 방식을 결합해 하이브리드 발전기로 시도했지만 저속 바람에서는 여전히 효율이 낮았다.

연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 피젯 스피너 구조를 본떠 로터 축과 자석의 무게를 분리 설계해 축이 자석의 무게에 영향을 받지 않고 자유롭게 회전하도록 했다. 또한 자석을 여섯 개 겹쳐 배치해 발전 효율을 높였다. 그 결과 풍속 3m/s 조건에서 75.82 mW/m³의 출력 밀도를 달성했으며, 이는 동일 조건에서 기존 발전기보다 가장 높은 수준이다.

특히 이번 발전기에는 배터리가 필요 없는 자가 발전형 풍속 센서도 함께 탑재됐다. 토끼털이 로터 표면을 부드럽게 스치면서 발생하는 마찰 전기를 이용해 풍속을 측정하는 방식으로, 별도의 전원이나 배터리 교체가 필요 없어 유지 비용이 거의 들지 않는다. 이 센서는 간단한 레이저 가공으로 제작할 수 있어 대량 생산과 확장이 용이하다.

연구팀은 이번 기술을 활용해 실제 공원과 기차역 등 바람이 약한 실외 환경에서 공기질, 온도, 습도 등을 실시간으로 감시하는 자가충전 환경 모니터링 시스템을 제작해 성공적으로 실증 실험을 마쳤다.

박재영 교수는 “이번 연구는 공공장소와 같은 약한 바람 환경에서도 전기를 생산해 실시간으로 환경을 모니터링할 수 있는 실용적인 솔루션”이라며, “친환경 에너지 발전과 스마트 환경 관리에 크게 기여할 것으로 기대된다”고 밝혔다.

이번 연구는 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단 중견연구자 지원사업(RS-2024-00351167) 및 한국산업기술진흥원의 산업기술혁신사업(RS-2022-00154983, 저전력 센서와 구동을 위한 자립형전원 센서 플랫폼 개발) 으로 수행되었고, 연구 결과는 세계 최고 에너지 변환 기술 전문 저널인 엘시비어(Elsevier) 출판의 에너지 변환 및 관리 (Energy Conversion and Management, IF: 10.7) 논문에 게재되었다. 1저자인 쿠마르 박사는 2025년 5월부터 겐트대학교 글로벌 캠퍼스, 송도에 연구교수로 재직하고 있다.

https://doi.org/10.1016/j.enconman.2025.119795

<피젯스피너 구조를 갖는 고출력 미풍 에너지하베스팅소자 및 이를 이용한 자가충전 환경모니터링 시스템>

출처 : 광운대학교 최신연구성과 (kw.ac.kr)