물 증발로 만드는 전기, 전압 방향까지 제어했다

가천대학교는 화공생명배터리공학부 김대건 교수 연구팀이 아주대학교 이준우·박성준 교수 연구팀, 광운대학교 이기원 교수 연구팀과 함께 증산 구동 발전 소자의 이온 선택성을 높이고 발전 전압의 크기와 극성(전압의 방향)까지 제어할 수 있는 소재를 개발했다고 9월 10일 밝혔다.

증산 구동 발전 소자는 주변의 물이 자연 증발하는 과정에서 생기는 이온의 이동을 전기에너지로 바꾸는 장치다. 외부 전원 없이 전기를 만들 수 있어 차세대 에너지 하베스팅(주변에 흩어져 있는 미세한 에너지를 모아 전기로 쓰는 기술) 기술로 꼽힌다.

소재에 고정된 전하로 통과할 이온을 골라냈다

기존 소자는 활성층 안에서 양이온과 음이온이 동시에 움직여 전하 분리가 충분히 이뤄지지 않았다. 이 때문에 발생 전압과 전류가 낮아지는 한계가 있었다.

연구팀은 중성·음전하·양전하 특성을 각각 갖는 공유결합 트리아진 구조체(Covalent Triazine Framework·CTF)를 설계했다. CTF는 규칙적인 미세 기공이 뚫린 다공성 고분자 소재로, 내부 전하와 기공 구조를 목적에 맞게 조절할 수 있다.

핵심은 CTF 내부에 고정된 전하다. 연구팀은 소재와 같은 부호의 전하를 띤 이온은 밀어내고 반대 부호의 이온은 통과시키는 도난 배제 효과(Donnan exclusion, 소재에 고정된 전하가 같은 부호 이온의 진입을 막는 현상)를 유도했다. 규칙적인 미세 기공은 이온이 빠르게 지나가는 통로 구실을 했다.

실험에서는 CTF의 전하 특성에 따라 주로 이동하는 이온의 종류가 달라졌고, 그에 맞춰 소자에서 발생하는 전압의 크기와 극성도 함께 바뀌었다. 다공성 소재의 전하 설계만으로 전기 출력의 방향을 조절할 가능성을 확인한 것이다.

소자 8개 직렬로 상용 LED 켰다

연구팀은 개발한 이온성 CTF를 실제 증산 구동 발전 소자에 적용해 발전 성능을 확인했다. CTF 기반 소자 8개를 직렬로 연결해 상용 LED를 구동하는 데 성공했다.

김대건 교수는 "이번 연구는 다공성 소재의 전하 특성을 조절해 이온의 선택적 이동을 제어하고, 이를 실제 발전 특성과 연결했다는 점에서 의미가 크다"며 "물과 수분을 활용하는 에너지 하베스팅 기술뿐 아니라 선택적 이온 전달이 필요한 다양한 에너지 변환 소재와 소자 개발에도 활용될 것으로 기대한다"고 말했다.

공동연구는 가천대와 광운대가 CTF를 적용한 발전 소자의 설계와 성능 평가를, 아주대가 CTF 기반 고분자 소재 합성을 맡는 방식으로 진행됐다. 공동 제1저자는 가천대 Arumugasamy Kumar Shiva 박사와 아주대 홍서연 석사과정생이다. 연구 결과는 화학공학 분야 국제학술지 'Chemical Engineering Journal'(IF 12.5, 상위 4%)에 8월 14일 온라인 게재됐으며, 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐다.

자료: 가천대학교