물 몇 방울만 있으면 전기 만들 수 있다

[아이뉴스24 최상국 기자] 소량의 물만 있으면 전기를 생산할 수 있는 신개념 친환경 발전기술이 개발됐다.

KAIST 신소재공학과 김일두 교수 연구팀은 아주 소량의 물(0.15ml) 또는 대기 중의 수분을 자발적으로 흡수하는 조해성 물질(염화칼슘)을 활용해 전기에너지를 생성하는 친환경 발전기를 개발했다고 16일 밝혔다.

연구팀은 전도성 탄소 나노 입자가 코팅된 면(cotton)섬유 표면에 소량의 물을 떨어뜨리면 젖은 영역과 마른 영역으로 나뉘게 되면서 작은 양의 전기에너지가 발생하는 것을 발견했다. 수분에 존재하는 수소 이온을 표면으로 끌어당기는 전도성 탄소 나노 입자를 통해 전압이 발생하며, 수소 이온을 빠르게 이동시키는 면섬유에 의해 전자의 흐름이 유발돼 전류가 생성된 것이다.

연구팀은 물이 완전히 증발하기 전까지 수소 이온이 천천히 이동하며 약 1시간 동안 발전이 가능하다는 것을 확인했다. 단점은 물이 완전히 마르게 되면 전기를 발생시킬 수 없어서 주기적으로 물을 떨어뜨려야 한다는 것.

이를 보완하기 위해 연구팀은 조해성 물질인 염화칼슘을 활용했다. 염화칼슘은 일반 습도 환경 (상대습도 20 ~ 80%) 에서 대기 중의 수분을 스스로 흡착해 수분을 유지하는 특징이 있다. 물에 일정 농도의 염화칼슘을 섞은 용액을 탄소 입자가 코팅된 면섬유의 한쪽 면에 묻혔더니, 한 번에 2주 동안 발전이 지속됐다.

연구팀은 이렇게 개발한 자가발전기 6개를 직렬로 연결해 전압 4.2V, 에너지 밀도 22.4mWh/cm3를 얻어 LED 전구(20mW)의 불을 켜는 데 성공했다고 밝혔다.

개발한 기술은 장소나 환경에 제한을 받지 않고 전기를 활용할 수 있기 때문에, 환경에 많은 영향을 받는 신재생 에너지의 단점을 보완할 수 있다. 주변에서 쉽게 구할 수 있는 면섬유, 활성탄에서 추출한 전도성 탄소 나노 물질, 염화칼슘으로 구성돼 손쉽게 전기를 만들 수 있어 다양한 사물인터넷, 웨어러블 기기 등에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

김 교수는 "움직이기만 해도 생기는 땀이나 대기 중 흩날리다 사라지는 수분을 에너지원으로 활용할 수 없을까? 라는 의문에서 연구를 시작했다"면서 "조해성 염이 포함된 자가발전기는 일반 대기 환경에서 2주 이상 발전하는 성능을 보임을 확인했고, 사물인터넷 기기에 전력을 지속적으로 공급하거나, 크기를 키워 이차전지를 충전하는 용도 등으로 활용할 수 있다"라고 말했다.

삼성미래육성사업의 지원을 받은 이 연구는 배재형 박사과정과 윤태광 박사후연구원이 공동 1저자로 참여했다. 연구 결과는 나노과학 분야의 권위적인 학술지 ‘에이씨에스 나노(ACS Nano)’ 11월 26일 자와 환경 분야의 권위지 ‘에너지 및 환경과학(Energy & Environmental Science)’ 12월 호에 게재됐다.