공기 중 수분으로 전기 생산…아주대학교, 차세대 에너지 기술 선보여

탄소중립을 향한 지속 가능 에너지 기술로의 발전 기대

신개념 에너지 하베스팅 시스템을 선보인 아주대-한국생산기술연구원 공동연구팀 단체사진./사진제공=아주대

낮과 밤의 일교차를 활용해 공기 중 수분을 모아 전기에너지로 바꾸는 기술이 나왔다.

아주대학교는 윤태광 교수와 윤기로 한국생산기술연구원(생기원) 교수 공동 연구팀이 오지나 물이 부족한 사막 등 극한 환경에서도 외부 물 공급 없이 스스로 전력을 생산할 수 있는 신개념 에너지 하베스팅 시스템을 선보였다고 7일 밝혔다.

에너지하베스팅(Energy Harvesting)은 태양광, 진동, 열, 바람, 파도 등 자연적인 에너지 또는 일상생활에서 버려지는 에너지를 수집해 전기에너지로 재상산하는 기술을 말한다.

이번 연구는 국제 저명 학술지 'Composites Part B: Engineering' (JCR 상위 1%)에 'Sustainable electrical energy harvesting via atmospheric water collection using dual-MOF systems'라는 제목으로 게재됐다.

아주대에 따르면 기존의 물 기반 에너지 하베스팅 기술은 '젖은 면과 마른 면의 전위차'를 활용해 전기를 생산했지만, 항상 외부에서 물을 공급해줘야 하는 한계가 있었다. 연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 식물의 증산작용과 모세관 현상에서 착안, 두 종류의 금속-유기 구조체(MOF)인 UiO-66-NH2와 Ni3(HITP)2를 결합했다. 이를 통해 대기 중 수분을 스스로 모아 전기를 발생시키는 완전 자율형 시스템을 구현했다.

UiO-66-NH2는 밤의 차가운 공기에서 수분을 흡수하고, 낮의 더운 공기에서 흡수한 수분을 방출한다. 방출된 수분은 Ni3(HITP)2가 성장된 섬유 표면에 응축되며, 이때 섬유의 비대칭적인 젖음으로 인해 전위차가 발생하고 전기가 흐르게 된다. 이 과정을 통해 연구팀은 최대 전력밀도 2.6μW/cm³, 에너지 밀도 1.1mJ/cm³을 달성하는 데 성공했다.

특히 UiO-66-NH2는 일반적인 환경은 물론 저습 환경에서도 뛰어난 수분 흡탈착 성능을 보였다. 연구진은 사막, 해안, 내륙 등 실제 기후 환경을 모사한 실험을 통해 각 환경에서 자가 수분 생성 및 전기에너지 생산 기능이 안정적으로 작동함을 입증했다.

윤 교수는 "이번 연구는 외부 전력이나 물 공급 없이도 작동 가능한 자립형 에너지 하베스팅 시스템의 실현 가능성을 보여준다"면서 "향후 재난 현장이나 에너지 접근성이 낮은 지역에서 새로운 대안이 될 수 있길 기대한다"고 밝혔다.

이어 "이번 시스템은 극한 기후나 인프라가 부족한 지역에서도 손쉽게 전기를 얻을 수 있는 기술적 기반을 마련한 것"이라면서 "탄소중립 사회를 향한 지속 가능한 에너지 기술의 실질적 기여로 이어지길 바란다"고 덧붙였다.

에너지 생성 시스템 및 메커니즘 개략도_(a) 일교차에 의한 물 순환을 통해 구동되는 자율 전기 에너지 하베스팅 시스템 (b) UiO-66-NH₂를 이용한 물 수확 메커니즘 (c) Ni3(HITP)2를 이용한 전기 에너지 생성 메커니즘 (d) 주변 환경 조건에서 자율 물 수확 및 지속 가능한 전기 에너지 생성 시스템./사진제공=아주대

경기=이민호 기자 leegija@mt.co.kr