1. 서 론

근래 전기에너지의 소비증가에 따라 에너지의 생산 및 효율성 문제가 대두되고 있다. 제한적인 에너지자원 문제로 인해 광전지(photovoltaic cell), 전기화학반응(electrochemical reaction), 압전형(piezoelectric) 및 용량형(capacitive) 트랜스듀서, 직류/교류 발전기, 나노발전기 등과 같은 새로운 대안이 지속적으로 연구되고 있다 ⁽¹⁾-⁽⁴⁾. 이중에서 나노발전기는 기계 및 열에너지를 미세전기에너지로 변환하는 시스템이다. 따라서 나노발전기는 발전소, 전력기기, 배터리 등으로부터 발생하는 기계 및 열적 손실에너지를 전기화하여 효율을 높이는데 적용되어 질 수 있다. 일반적으로 압전형, 마찰전기형(triboelectric), 초전형(pyroelectric) 나노발전기가 연구되고 있다 ⁽⁵⁾-⁽⁹⁾. 나노기술의 발전에 따라 자성나노유체를 활용한 응용기술개발 연구가 지속적으로 진행되고 있으며 ⁽¹⁰⁾-⁽¹⁴⁾, 최근 연구에서 페러데이법칙에 의거하여 자성나노입자가 분산된 자성나노유체와 비자성체의 2상유동을 통해 발전가능성을 확인하였으며, 수치해석 및 실험으로 확인되어졌다 ⁽¹⁵⁾-⁽¹⁸⁾.

본 논문에서는 쉽게 버려질 수 있는 낮은 엑서지의 재생에너지원으로부터 전기를 생성하기 위해 폐열원을 외부엑서지로 이용하는 유체 자가순환 시스템을 구축하고, 시스템 내에 스마트유체의 일종인 자성나노유체의 유동을 이용하여 발전전압을 획득하는 사이클 나노발전기 시스템을 제안하였다. 전통적인 발전사이클을 구성하는 펌프 및 터빈을 배제하고 폐열을 에너지원으로 하는 패시브(passive) 펌프와 솔레노이드 모듈을 적용함으로써 기계부품으로부터 발생하는 손실의 최소화를 도모하였다. 제안하는 사이클 나노발전기는 열원에 의한 외부 엑서지를 자성나노유체의 유동에너지로 전환시키고 자성나노입자가 솔레노이드를 관통할 때 발생하는 전기적 에너지를 회수하는 직접발전방식의 발전기이며, 낮은 끓는점에 의해 열원에 의한 유동에 용이하도록 증류수의 베이스 유체에 산화철(Fe3O4)의 나노입자가 분산된 자성나노유체를 적용하였다. 따라서 제안하는 시스템은 별도의 발전기나 기계적인 부품이 필요 없기 때문에 전기적 효율향상 및 소형화/경량화가 가능한 기술이다.

2. 자성나노유체 및 사이클 나노발전기

자성나노유체는 베이스유체에 자성나노입자가 혼합된 유체로써, 그림 1(a)에 나타내어진 나노크기의 산화철 (Fe3O4) 나노입자들이 잘 분산되어 있다 ⁽¹⁰⁾. 분산된 나노입자들은 우수한 분산성과 함께 콜로이드 상태로 안정성이 우수하다. 자성나노입자는 초상자성 특성에 의해 단일 입자당 단자구를 가지며, 그림 1(b)와 같이 외부자기장이 인가되면 Neel and Brownian 모션을 통해 인가된 자기장의 방향에 대해 자기적으로 이완된다 ⁽¹⁹⁾-⁽²⁰⁾. 따라서 자성나노입자가 분산된 자성나노유체는 독립적으로 존재할 때는 자기적 특성이 나타나지 않지만, 외부자기장이 인가되면 자기이완에 의해 자성나노입자들의 자기모멘트가 정렬되어 동일방향으로 자화되기 때문에 자기적 특성이 나타난다 ⁽¹⁰⁾,⁽¹⁷⁾,⁽²¹⁾.

그림 1 (a)산화철 (Fe3O4) 자성나노입자의 단일나노결정 모식도, (b)자성나노 입자의 외부자기장에 따른 Neel 및 Brownian 모션에 의한 자기이완 메커니즘.

Fig. 1 (a) Schematic view of a single nanocrystal of iron oxide (Fe3O4) magnetic nanoparticle, (b) Magnetic relaxation mechanism of the magnetic nanoparticle by Neel and Brownian motions according to the external magnetic field.

자성나노유체는 유체특성에 의해 유동 관 내부에서 유동 시 영구자석 및 솔레노이드코일이 배치된 영역을 지나갈 때 자성나노입자들의 모멘트가 외부자계의 방향으로 동기화된다. 동기화된 자성나노입자들에 의해 이 구간에서 자성나노유체는 자기적 특성을 나타내며, 외부자기장의 교란을 야기한다. 자기장의 교란은 패러데이 전자기유도 법칙에 의해 솔레노이드 코일에 유도기전력을 발생시키며, 그 식은 다음과 같다.

여기서 $e$는 유도기전력, $N$은 솔레노이드 코일 턴 수, $\Phi$는 자기선속이며, $B$는 자속밀도이다. 자기선속은 공간상의 곡면에서의 자기장에 의존하며, 시간에 따른 자기장의 변화에 의해 유도기전력이 솔레노이드 코일에서 발생한다. 유동 관 내에서 자성나노유체가 가득 채워진 경우 동기화된 자성나노입자들의 우수한 분산안정성에 의해 지속적으로 일정한 자기장이 형성되며, 유도기전력이 발생하지 않는다 ⁽¹⁷⁾. 그러나 그림 2와 같이 버블과 같은 비자성체가 유동 관 내 자성나노유체와 혼합되어 흐를 경우 비자성체에 의한 자성나노입자의 비정상성 유동 및 투자율 차이에 의해 자기장의 공간적 이산화가 발생하고, 코일에 기전력이 유도된다.

그림 2 자성나노유체-버블의 2상유동 및 외부자기장에 의한 자성나노입자들의 자화정렬에 따른 전자기유도 발전 개념도.

Fig. 2 Concept of electromagnetic induction according to magnetization alignment of the magnetic nanoparticles by magnetic nanofluid-bubble two-phase flow and external magnetic field.

자성나노유체-버블의 2상유동 및 자성나노입자의 비정상성 유동을 이용한 발전시스템은 기계적인 에너지를 사용하여 터빈을 회전시켜 발전하는 간접발전방식이 아닌 패러데이법칙을 직접 적용하여 발전하는 직접발전방식으로 제안되었다. 직접발전방식은 간접발전방식과 달리 기계적인 구동이 배제되었기 때문에 기계효율을 감안할 필요가 없고, 기계적으로 발생하는 손실에너지가 없는 장점이 있다. 따라서 본 논문에서는 직접발전방식을 본 시스템에 적용하기 위해 유체의 자가순환이 가능한 유체 자가순환 시스템을 제안하였으며, 그림 3에 개략도를 나타내었다. 유체 자가순환 시스템에서 작동유체인 자성나노유체는 히터와 콘덴서에 의해 사이클 내에서 온도차가 발생하고, 이로 인해 밀도차가 발생한다. 히터부에서 유체의 밀도가 낮아지고, 부력이 커지므로 유체는 사이클 내에서 중력에 의해 자연대류가 발생한다. 따라서 이러한 써모사이펀(thermosiphon) 방식에 의해 사이클 내에서 유체의 대류가 발생하며, 자체적 순환이 가능해진다 ⁽²²⁾-⁽²⁵⁾. 또한 히터부의 온도에 의해 자성나노유체의 끓음이 발생하고 이로 인해 자연적으로 버블이 발생한다. 버블은 작동유체인 자성나노유체의 점성과 부력에 의해 혼합 상태로 유동하며, 자성나노유체-버블의 2상유동이 발전부를 통과하면서 자기장의 교란을 야기하고 기전력이 유도된다 ⁽¹⁷⁾-⁽¹⁸⁾.

그림 3 폐열원에 의해 구동되는 유체 자가 순환방식 및 발전코일을 포함한 사이클 나노발전기 전체시스템 개념도.

Fig. 3 Fluid self-circulation system driven by the heat source and schematic diagram of a whole cycle nanogenerator system including the generating coil.

3. 2상유동에 의한 사이클 나노발전기 발전전압 실험

제안하는 자성나노유체-버블의 2상유동에 의한 사이클 나노발전기의 전기적 발전가능성을 확인하기 위해 유체 자가순환 시스템 및 발전기를 구축하였으며, 그림 4(a)에 나타내었다. 전체시스템에서 유동관 사이클은 1/2inch 스테인레스 스틸 관으로 구성되어졌으며, 히터는 자성나노유체의 끓음에 따른 부력에 의해 상승할 수 있도록 시스템의 하단에 배치되었다. 발전부는 자기장 교란에 의한 유도기전력을 획득하기 위해 2상유동을 유지하는 히터 위쪽에 배치되었다. 그리고 콘덴서는 부력에 의해 상승하는 유체를 재응축 시키기 위해 상부에 배치되었으며, 응축된 유체의 순환이 용이하도록 10도의 경사가 적용되었다. 일반적으로 상용 자성나노유체는 산화철 나노입자들의 분산안정성을 고려하여 베이스 유체가 톨루엔과 같은 유기용매이며, 이는 끓는점이 높아 써모사이펀 방식을 적용하는 본 시스템에 적합하지 않다. 따라서 이러한 문제를 고려하여 증류수를 베이스 유체로 선정하였으며, 자가순환 시스템 내 자성나노유체를 주입하기 전에 증류수를 주입하여 열원에 따른 유동패턴과 유속을 테스트하였다. 시스템 내 유체의 충전률(Filling Ratio, FR)은 그림 4(b)와 같이 시스템의 높이에 대하여 산정되어졌으며, 증류수 충전률은 각각 60%와 80%로 주입하여 테스트 되었다. 그림 5(a)는 열원인가에 따른 증류수-버블의 이상유동을 보여준다. 자가순환시스템 내 증류수-버블은 슬러그(slug) 패턴으로 유동되며, 이는 충분한 유체를 운반할 수 있는 유동패턴이다. 따라서 자성나노입자가 포함된 유체의 유동이 발전효율에 크게 영향을 미치기 때문에 많은 유체를 운반하는 것이 중요하며, 슬러그패턴의 유동은 발전시스템에 적합한 유동임을 볼 수 있다. 그림 5(b)는 증류수 충전율 및 열원에 따른 유속을 비교결과를 보여준다. 100W의 열원에서는 60%와 80% 충전율에 따른 유속차가 거의 없지만, 200W 이상부터는 80% 충전율의 증류수가 더 빠른 유속으로 유동됨을 확인하였다.

그림 4 (a)구축된 유체 자가순환 시스템 및 사이클 나노발전기 전체 시스템, (b)유체 자가순환 시스템 내 작동유체 주입을 위한 충전비율 개념도.

Fig. 4 (a) constructed fluid self-circulation and cycle nanogenerator systems, (b) Conceptual drawing of fill ratio for working fluid injection in the fluid self-circulation system.

최종적으로 전기적 발전테스트를 위해 적용된 자성나노유체는 자기장 교란을 위해 투자율이 높은 철계 나노입자인 산화철 나노입자들이 증류수에 2%의 볼륨비로 분산된 Fe3O4/H2O 자성나노유체를 사용하였다. 사이클 시스템 내 자성나노유체의 충전율을 각각 60%, 80% 으로 설정하여 발전전압을 측정하였다. 인가되는 열원은 각각 200, 300, 400W로 인가하였으며, 열원 및 FR에 따른 유량 및 발전전압 측정결과를 그림 6에 나타내었다. 그림 6(a)에서 볼 수 있듯이 인가되는 열원이 증가할수록 유체의 유량은 증가하며, 300W부터 수렴되는 경향성을 확인하였다. 이는 증류수만을 이용한 유속결과와는 다른 유속패턴이며, 나노입자에 의해 유체의 유속 및 유동에 영향을 미칠 수 있음을 의미한다. 그림 6(b), (c)는 300W의 인가

그림 5 (a) 열원 인가에 따른 증류수-버블의 2상유동 패턴(슬러그 유동), (b) 인가열원 및 증류수 충전율 조건에 따른 유량결과.

Fig. 5 (a) Two-phase flow pattern of distilled water-bubble by a heat source (Slug flow pattern), (b) Flow rate results according to the applied heat source and distilled water filling ratio conditions.

열원에서 자성나노유체-버블의 2상유동에 의한 발전전압을 획득결과이다. 측정전압은 충전율 60% 유체의 경우 rms 전압과 최대 전압이 각각 0.3mV와 1.9mV였으며, 충전율 80%의 유체는 각각 0.39mV와 2.62mV였다. 따라서 같은 열원이 자가순환 시스템에 인가될 때 충전율 80%의 유체가 60%에 비해 더 빠른 유속을 발생되며, 이로 인해 더 높은 발전량을 획득하는 것을 확인하였다. 따라서 본 실험결과를 통해 열원의 전기에너지화에 의한 발전가능성을 확인하였다. 그러나 단일 자가순환 시스템의 낮은 발전전압으로 인해 에너지를 저장하기에 어려움이 따른다. 이러한 문제는 자성나노유체의 베이스유체 종류, 자성나노입자의 볼륨비, 최적의 유동관 설계 등의 추후연구를 통해 기술적으로 향상될 수 있을 것으로 보이며, 자가순환 시스템의 고밀도 집적화를 통한 높은 발전량 획득으로 효율적인 에너지생산에 기여할 수 있을 것으로 보인다.

4. 결 론

본 연구에서 제안된 사이클 나노발전기는 발전소, 산업체, 전력기기 시스템 등으로부터 발생하는 저 엑서지원의 저온폐열을

그림 6 인가열원에 따른 사이클 나노발전기 시스템에서의 발전전압 실험 결과. (a) 인가열원 및 자성나노유체(Fe3O4/H2O 2% Vol.)의 충전율 조건에 따른 유량결과. (b)자성나노유체의 60% 충전율 및 300W열원 조건 에서 측정된 발전전압. (c)자성나노유체의 80% 충전율 및 300W 열원 조건에서 측정된 발전전압.

Fig. 6 Test results of the generated voltage in cycle nanogenerator system according to the applied heat power. (a) Flow rate results according to the applied heat power and filling ratio conditions of magnetic nanofluid (Fe3O4 / H2O 2% Vol.), (b) Generated voltage with 300W heat power and 60% filling ratio conditions, (c)generated voltage with 300W heat power and 80% filling ratio conditions.

활용한 기술이다. 써모사이펀 방식을 적용한 유체 자가순환 시스템을 이용하여 자성나노유체의 순환 및 자성나노유체-버블의 2상유동을 형성하여 발전부에서 유도기전력을 획득하였으며, 열원을 전기에너지화하여 발전기로의 활용 가능성을 확인하였다. 또한 발전효율 향상을 위해서는 유체 자가순환 시스템 내에서 빠른 유량과 적합한 유동패턴이 필요하기 때문에 증류수를 자성나노유체의 베이스 유체로 선정하였으며, 실험적으로 발전을 위한 유동에 적합한 유체임을 확인하였다. 최종적으로 Fe3O4/H2O 2% Vol. 자성나노유체를 이용하여 전기적 발전테스트를 통해 전기적발전이 가능함을 확인하였다. 따라서 본 연구에서 제안된 직접발전방식의 사이클 나노발전기는 현재 지속적으로 연구되고 있는 에너지저장 시스템의 기술적 발전과 더불어 산업체로부터 버려지는 저 엑서지원의 저온폐열 에너지를 전기에너지로 변환하여 에너지 효율을 향상시킬 수 있을 것으로 기대한다.