UNIST 연구팀이 빗방울보다 적은 3마이크로리터(μL)의 물로 최대 약 45시간 전압을 출력할 수 있는 손톱보다 작은 초소형 박막 수분 발전기를 개발했다.

 

UNIST 에너지화학공학과 고현협 교수팀은 물속 양이온의 농도 차를 유도해 장시간 직류 전기를 생산하는 초소형 박막 수분 발전기를 개발했다고 9일 밝혔다.

 

일반적인 수력발전이 물이 높은 곳에서 낮은 곳으로 떨어질 때의 낙차로 터빈을 돌려 전기를 생산하는 것과 달리, 이번에 개발한 발전기는 물속 양이온의 농도 차로 전압을 만든다.

 

 

연구팀은 양이온 농도 차를 만들기 위해 발전기 박막 내부에 한쪽으로 갈수록 폭이 좁아지는 물 통로가 형성되도록 설계했다. 통로 벽은 물속에서 음전하를 띠는 맥신과 셀룰로스 나노섬유로 구성된다. 통로가 좁아질수록 양이온이 통로 벽의 인력에 더 큰 영향을 받으면서 좁은 구역의 양이온 농도가 넓은 구역보다 높아지는 원리다.

 

발전기 박막은 켜켜이 쌓인 맥신 나노시트 사이에 셀룰로스 나노섬유가 들어간 구조다. 한쪽 끝에서는 물을 잘 빨아들이는 셀룰로스 나노섬유가 부풀어 오르고, 반대쪽 끝은 테이프로 눌러 부풀지 못하도록 했다. 이에 따라 물을 넣으면 반대쪽으로 갈수록 폭이 좁아지는 물 통로가 만들어진다.

 

박막 내부의 나노통로를 따라 물이 빠르게 퍼지는 모세관 현상도 일어난다. 켜켜이 쌓인 통로가 순차적으로 물로 채워지면서 이온 이동 현상을 지속할 수 있는 구조다.

 

발전기 한 개의 크기는 가로 5밀리미터(㎜), 세로 7밀리미터(㎜)로 손톱보다 작다. 실제 전기를 만드는 박막 두께도 15마이크로미터에 불과하다. 한 번 3마이크로리터의 물을 넣으면 20시간 이상 전압을 유지하고 최대 약 45시간 동안 전압을 출력할 수 있다.

 

얇고 유연한 구조를 이용해 발전기를 여러 층으로 쌓는 것도 가능하다. 연구팀은 실제 2개 층으로 쌓은 단위 소자 48개를 직렬로 연결해 디지털시계를 직접 구동했다. 수돗물과 바닷물, 땀 등 다양한 액체를 이용한 전력 생산도 가능했다.연구팀은 “이번에 개발된 발전기는 수분 발전기의 일종”이라며 “기존 수분 발전기는 물의 증발이나 흡습 현상에 의존해 이온의 농도 차를 유도했기 때문에 발전기를 밀폐 분리하기 어렵고, 주변 습도와 공기 흐름에 따라 출력이 달라지는 문제가 있었다”고 설명했다.

 

이어 “이번 발전기는 물의 증발이나 흡습 현상에 의존하는 대신, 박막 내부의 나노채널 구조를 통해 이온의 선택적 이동을 유도함으로써 외부 환경의 영향을 최소화하고 장시간 전기를 생산할 수 있도록 했다”고 덧붙였다.

 

고현협 교수는 “밀폐한 상태에서도 장시간 전압을 유지할 수 있는데다 얇고 유연하며 여러 층으로 쌓아 충분한 전력을 생산할 수 있다는 장점이 있는 만큼 웨어러블 전자기기뿐만 아니라 소형 센서, 분산형 전자기기 등 다양한 자가발전 전원 기술로 확장할 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

 

한편 이번 연구에는 UNIST 에너지화학공학과 나상윤 박사와 정건영 박사가 공동 제1저자로 참여했다. 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단의 과학기술분야 기초연구 사업, 국가과학기술연구회의 창의형 융합연구사업, 과학기술정보통신부·광주과학기술원(GIST)의 InnoCORE 프로그램 지원으로 수행됐다. 연구 성과는 Wiley가 발행하는 재료 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’에 8월 12일 온라인 게재됐다.

 

 

헬로티 이동재 기자 |