에너지 수확기술, 하베스팅을 바람과 비에서 하는 스마트 윈도우

향후에는 날씨를 이용하여 차세대 스마트 윈도우에 전력을 공급할 수 있을 것입니다. 'Georgia Institute of Technology'의 연구팀이 바람과 비로부터 에너지를 얻을 수 있는 수확기술을 개발하였습니다. Energy harvesting(하베스팅)이라 불리는 분야입니다. 이번 연구에서는 색깔이 변하는 유리를 개발하였습니다.

논문 초록 내용을 정리하면 다음과 같습니다.

자체적으로 전원이 공급되는 시스템은 외부 전력공급원 없이 독립적이고 지속적인 운영이 가능합니다. 따라서 무선 네트워크에서는 유망한 콘셉입니다. 이러한 아이디어의 실현을 위하여, 마찰전기 나노제너레이터(TENG, triboelectric nanogenerator)를 최근에 발명하였습니다. 휴대용 전자장치에 전력을 공급하기 위해 외부 기계적 에너지를 전기로 변환시키는 것입니다. 이번 연구에서는 자체적으로 전력이 공급되는 스마트 윈도우 시스템을 개발하였습니다. 불어오는 바람과 빗방울에 의해 구동되는 투명한 마찰전기 나노제너레이터(TENG)와 전기변색소자 디바이스(ECD, electrochromic device)를 통합하여 실현할 수 있게 되었습니다.
마찰전기 나노제너레이터(TENG)의 지속적인 출력으로 전기변색소자 디바이스(ECD)를 구동할 수 있었습니다. 광학적 특성, 특히 투과율을 가역적으로 얻을 수 있었습니다. 전자화학적 산화환원 반응 덕분입니다. 파장 695nm에서 최대 투과율 변화는 32.4%에 도달하였습니다. 이것은 32.6%를 기록한 기존의 전자화학적 전위가변기(electrochemical potentiostat)에 비교될만한 규모입니다. 이번 연구는 나노제너레이터와 자체적으로 전력을 공급받는 시스템을 실제적으로 개발하기 위한 핵심적인 발전입니다.

새롭게 개발된 유리는 나노크기 제너레이터를 사용합니다. 이것은 두 개의 물질이 접촉할 때 마찰에 의해 생성되는 정전기인 마찰전기(triboelectrics)로부터 전력을 공급받습니다. 활성화되면 하나의 유리판 상부에 있는 2개의 레이어(layer) 내에 위치한 제너레이터는 투명한 창문을 푸른색을 띄도록 전류를 생성합니다.

제너레이터의 최외각 레이어는 비에서 정전기를 수확합니다. 구름에서 빗방울이 떨어질 때, 물과 공기 간의 접촉은 물방울 내에 양전하를 만들어낸다. 물방울이 음전하를 띠는 실리콘 물질로 만들어진 나노크기 피라미드로 코팅된 유리를 때리면 전류가 발생됩니다.

나노제너레이터의 두 번째 레이어는 첫 번째의 바로 아래에 있으며 바람에서 에너지를 수확합니다. 나노크기 스프링 코일로 분리되어 있는 전하를 띄는 투명한 2개의 플라스틱으로 구성됩니다. 바람이 창문을 밀게 되면, 스프링은 압축되고 전하를 띤 플라스틱 판이 서로 접근함에 따라 전류를 생산합니다.