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- 에너지 분야 권위지 ‘Nano Energy’ 게재 - 서로 반대로 회전하는 ‘이중축 역회전’ 나노발전기 개발.. 바람 에너지 수확 효율 극대화

우리대학 기계시스템디자인공학과 표순재 교수 연구팀이 기존 회전형 나노발전기의 구조적 한계를 극복하고, 약한 바람에서도 고효율로 전기를 생산할 수 있는 이중축 역회전 마찰전기 나노발전기(CR-TENG)를 개발하였다. 이번 연구 성과는 에너지 분야의 세계적 학술지인 ‘나노 에너지(Nano Energy)’ (IF: 17.1, JCR 상위 5%) 148권(2026년 2월 발간)에 게재되며 그 우수성을 인정받았다.

논문명: Dual-shaft counter-rotating triboelectric nanogenerator for efficient wind energy harvesting (https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2025.111643)

■ 반대로 돌면 성능이 두 배? ‘역회전’으로 출력 한계 돌파
기존의 회전형 나노발전기는 하나의 로터(회전차)가 고정된 전극 위를 돌아가는 방식이어서 에너지 변환 효율에 한계가 있었다. 표순재 교수팀은 이를 해결하기 위해 두 개의 사보니우스-바흐(Savonius-Bach) 로터가 동일한 바람에서 서로 반대 방향으로 회전하게 설계했다. 이 역회전 메커니즘은 두 마찰층 사이의 상대적인 각속도를 극대화하여, 기존 단일 로터 방식 대비 전압은 77%, 전류는 145%나 향상시키는 쾌거를 이루었다. 또한, 반대 방향으로 회전하는 힘이 축에 가해지는 측면 공기역학적 힘을 상쇄하여 고속 회전 시에도 흔들림 없는 기계적 안정성을 확보했다. 

■ 고질적인 마모 문제, ‘브러시리스’ 구조로 완벽 해결
기존의 회전형 발전기들은 회전하는 전극에서 전기를 뽑아내기 위해 슬립 링(Slip ring)이나 전기 브러시 같은 부품이 필수적이었으나, 이는 마찰로 인한 마모와 신호 불안정을 초래했다. 연구팀은 베어링 자체를 전도성 경로로 활용하는 이중축 전극 구조를 도입하여 이 문제를 해결했다. 물리적 접촉을 통한 마모가 발생하는 브러시를 없애고 직접 배선 방식을 채택함으로써, 구조를 단순화하고 12,000초 이상의 연속 작동에도 성능 저하가 없는 뛰어난 내구성을 입증했다. 
 

▲ CR-TENG의 구조, 작동 원리 및 실용화 성능 검증

■ 스스로 전원을 켜는 IoT 센서.. 실용화 가능성 입증
연구팀은 개발한 CR-TENG를 활용해 실생활에 즉시 적용 가능한 다양한 자가발전 시스템을 선보였다. LED 120개를 안정적으로 점등시켰으며, 바람 에너지만으로 무선 환경 센서를 구동해 온도와 압력 데이터를 스마트폰으로 전송하는 데 성공했다. 특히, 시중에서 판매되는 디지털 손목시계와 습도계를 별도의 배터리 없이 바람만으로 작동시키며 차세대 자가발전 IoT 기기용 전원으로서의 실용성을 증명했다.