UNIST, 물 3㎕로 45시간 전기 만드는 박막 발전기
빗방울보다 적은 3마이크로리터(㎕)의 물로 최대 45시간 전기를 만들 수 있는, 손톱보다 작은 발전기가 나왔다.
울산과학기술원(UNIST)은 9월 9일 에너지화학공학과 고현협 교수팀이 물속 양이온의 농도 차를 유도해 장시간 직류 전기를 생산하는 초소형 박막 수분 발전기를 개발했다고 밝혔다.
낙차 대신 이온 농도 차로 전압을 만든다
일반적인 수력발전은 물이 높은 곳에서 낮은 곳으로 떨어질 때의 낙차로 터빈을 돌린다. 연구팀이 개발한 발전기는 물속 양이온의 농도 차로 전압을 만든다. 농도 차를 만들기 위해 박막 안에는 한쪽으로 갈수록 폭이 좁아지는 물 통로가 생기도록 설계했다. 통로 벽은 물속에서 음전하를 띠는 맥신(전이금속 탄화물 계열의 2차원 나노소재)과 셀룰로스 나노섬유로 이뤄져 있어, 통로가 좁아질수록 양이온이 벽의 인력을 더 받아 좁은 구역의 양이온 농도가 넓은 구역보다 높아진다.
박막은 켜켜이 쌓인 맥신 나노시트 사이사이에 셀룰로스 나노섬유가 들어간 구조다. 한쪽 끝은 물을 잘 빨아들이는 셀룰로스 나노섬유가 부풀어 오르고, 반대쪽 끝은 테이프로 눌러 부풀지 못하게 했다. 이 덕분에 물을 넣으면 반대쪽으로 갈수록 폭이 좁아지는 통로가 만들어진다. 박막 내부의 나노통로를 따라 물이 빠르게 퍼지는 모세관 현상이 일어나고, 켜켜이 쌓인 통로가 순차적으로 물로 채워지면서 이온 이동이 이어진다.
디지털시계 구동, 수돗물·바닷물·땀 모두 가능
발전기 하나의 크기는 가로 5밀리미터(㎜), 세로 7밀리미터로 손톱보다 작고 실제 전기를 만드는 박막 두께는 15마이크로미터(㎛)에 불과하다. 그러면서도 단 한 번 3㎕의 물만으로 20시간 이상 전압을 유지하고 최대 약 45시간 동안 전압을 출력했다. 유연한 구조와 얇은 두께 덕분에 여러 층으로 쌓을 수 있으며, 2개 층으로 쌓은 단위 소자 48개를 직렬로 연결해 디지털시계를 직접 구동했다. 수돗물과 바닷물, 땀 등 다양한 액체로 전력 생산이 가능했다.
연구팀은 기존 수분 발전기가 물의 증발이나 흡습 현상에 의존해 이온의 농도 차를 유도했기 때문에 발전기를 밀폐 분리하기 어렵고 주변 습도와 공기 흐름에 따라 출력이 달라지는 문제가 있었다고 설명했다. 이번 발전기는 박막 내부의 나노채널 구조로 이온의 선택적 이동을 유도해 외부 환경의 영향을 최소화했다고 밝혔다.
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.
이번 연구에는 UNIST 에너지화학공학과 나상윤 박사와 정건영 박사가 공동 제1저자로 참여했다. 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단의 과학기술분야 기초연구사업, 국가과학기술연구회의 창의형 융합연구사업, 과학기술정보통신부·광주과학기술원(GIST)의 InnoCORE 프로그램 지원으로 수행됐으며, 결과는 국제학술지 '어드밴스드 머티리얼즈'에 8월 12일 온라인 게재됐다.
자료: 울산과학기술원