<사진. 좌측 상단 2장의 삽입 그림은 각각 팬 시트 타입과 부표 타입의 마찰 나노 발전기임. 좌측 하단은 마찰 나노 발전기 음극 보호 후의 금속 전위가 뚜렷이 감소되는 실험 스펙트럼임. 우측 하단은 마찰 나노 발전기 보호의 금속 및 보호를 받지 못한 금속이 동일 조건 하에서 5시간 부식 후의 비교 그림임
출처. KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』>

금속 음극 보호에 사용하는 마찰 나노 발전기 개발

중국과학원 베이징(北京) 나노 에너지 및 시스템 연구소 판차오펑(潘曹峰) 연구원 연구팀은 최근 관련 연구를 통해 금속 음극 보호(Metal cathode protection)에 사용하는 마찰 나노 발전기(Friction nano generators) 개발에 성공하여 이슈가 되고 있다.

사회가 지속적으로 발전함에 따라 철강 재료의 사용량은 점점 더 증가되고 있는 상황이다. 하지만 철강은 쉽게 녹슬고 부식되는데 해마다 부식되어 손실을 보는 철강 재료는 세계 철강 연간 생산량의 1/4 수준을 차지하고 있다. 이런 상황 때문에 극대한 자원 낭비와 경제적 손실이 조성되고 있다.

경제적이고 효율적이며 지속적으로 작업할 수 있도록 하는 부식 방지 기술과 방법에 대한 연구개발은 과학기술계와 산업계의 이슈로 되고 있다. 마찰 나노 발전기(Friction nano generators)는 관련 환경 속에서 기계 에너지를 수집하여 마찰 표면 사이의 전위차(Potential difference)로 변환시킬 수 있다.

이런 전위차를 보호가 필요한 철강 표면에 입력시키게 되면 철강 재료 표면이 전위차를 뚜렷이 감소시켜 부식 방지 패시베이션(Passivation)을 실현하는 목적에 도달할 수 있게 된다.

물 속에서 운행하는 선박과 상하로 움직이는 부표의 표면은 장기간 물 파동에 접촉하기 때문에 구동 마찰 나노 발전기 작동에 특별히 적합한 상황이다. 때문에 마찰 나노 발전기에 기반하여 자체적인 전기 공급, 소형화 부식 방지 기술과 방법에 대한 연구는 중요한 경제적 의미와 현시적 의미를 보유하고 있는 상황이다.

중국과학원 베이징(北京) 나노 에너지 및 시스템 연구소 판차오펑(潘曹峰) 연구원 연구팀은 최근 관련 연구를 통해 폴리이미드(Polyimide)(캡톤(kapton)) 필름과 Al 필름으로 구성된 팬 시트 타입(Fan sheet type)과 부표 타입(buoys type) 마찰 나노 발전기를 연구 개발하여 금속 음극 보호(Metal cathode protection)에 사용하고 있다.

연구팀은 접촉 면적을 증가시키기 위해 캡톤 필름 상에 나노 와이어를 에칭시켰다. 관련 실험 결과, 마찰 나노 발전기가 생성시키는 전압과 전류를 보호가 필요한 철강 재료 상에 연결시키게 되면 철강 재료의 전위(Potential)가 0.44V 감소할 수 있게 되는 것으로 나타났다.

외부 전기 저항 증가를 통해 철강 재료의 전위는 한층 더 -5V 이상 수준(외부 전기 저항이 10M 수준에 달할 때)으로 감소되는 것으로 나타났다. 그 중 팬 시트 타입 구조를 사용하는 마찰 나노 발전기는 선박 외부에 설치될 수 있으며 선박이 운행할 때 물 흐름을 통해 팬 시트를 회전시켜 생성되는 전기를 통해 선체의 철강 재료를 보호할 수 있게 되는 것으로 나타났다.

선박의 운행 속도가 빠를수록 마찰 나노 발전기의 팬 시트 회전 속도가 더욱 신속해지고 생성되는 전류도 더욱 커지기 때문에 철강 재료의 전위를 한층 더 감소시킬 수 있으며 부식 방지 효과도 더욱 이상적이 되는 것으로 나타났다.

부표 타입의 마찰 나노 발전기는 부표 혹은 화물 운송 선박에 사용하여 물 흐름의 상하 운동을 통해 생성되는 기계 에너지를 수집하여 부표 주변의 교각(bridge pier)과 선체의 철강 재료 보호에 사용할 수 있는 것으로 나타났다.

연구팀이 연구 개발한 두 가지 마찰 나노 발전기는 모두 이상적인 안정성을 보유하고 있기 때문에 철강 재료에 대해 뚜렷한 보호 역할을 발휘하는 것으로 나타났다. 이런 마찰 나노 발전기를 음극 보호에 이용하는 방법은 에너지 수집 및 재료 보호 분야에서 밝은 응용 전망을 보유하고 있는 것으로 나타났다.

연구팀의 관련 연구 성과는 `선진 기능 재료(Advanced Functional Materials)` 학술지 최신호에 발표되었다.

■ KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 http://mirian.kisti.re.kr