극소량 물로 전기 만들어 배터리 충전한다

카이스트, 관련 발전기 개발

[아이뉴스24 정종오 기자] 극소량의 물로 전기를 만들어 배터리를 충전할 수 있는 발전기가 개발됐다.

카이스트(KAIST, 총장 이광형)는 신소재공학과 김일두 교수 연구팀이 2차원 전도성 나노물질인 맥신(MXene) 소재와 극소량의 물(30 마이크로리터)로 전기에너지를 생성하고 이 에너지로 배터리를 충전할 수 있는 친환경 발전기를 개발했다고 23일 발표했다.

김 교수 연구팀은 지난번 진행했던 연구에서 전도성 탄소 나노 입자가 코팅된 면(cotton)섬유의 한쪽 표면에 소량의 물을 떨어뜨리면 젖은 영역과 마른 영역으로 나뉘게 되면서 작은 양의 전기에너지가 발생하는 것을 발견한 바 있다. 이를 활용해 LED 전구의 불을 켜는 데 성공했는데 실생활에 적용되기에는 에너지 생산 능력이 낮아 제한적이었다.

층상 구조를 이루는 맥신의 빠른 모세관 현상과 증산작용에 의해 유발되는 물의 흐름을 활용해 전기에너지로 변환하는 발전기. [사진=카이스트]

연구팀은 발전 효율을 높이기 위해 물과 친한 친수성 표면을 가지며 빠른 모세관 현상을 유발할 수 있는 2차원 전도성 물질에 주목했다. 2차원 물질 중에서도 전도도가 금속에 가까운 전이금속 탄화물(맥신, MXene) 중 하나인 Ti3C2Tx를 면섬유에 코팅해 발전기를 제조한 경우 기존 탄소 나노 입자가 적용된 발전기 보다 약 24배 높은 에너지 효율을 보였다.

맥신을 전도성 고분자(Polyaniline)와 추가적으로 복합화했을 때, 탄소 나노 입자를 사용했을 때보다 약 100배 더 높은 에너지 효율을 달성했다.

맥신 소재가 적용된 자가 발전기는 기존 탄소 입자가 적용된 소자보다 7.7배 작은 크기에서도 30.9 mW/cm3라는 세계 최고 수준의 전력 밀도를 보였다. 연구팀은 맥신 기반 자가발전기 16개를 병렬로, 10개를 직렬로 총 160개를 연결해 상용 리튬폴리머 배터리(30 mAh, 3.7 V)를 20분간 14%의 용량을 충전하는 데 세계 최초로 성공했다.

앞으로 다양한 사물인터넷(IoT), 웨어러블 기기 등에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

김 교수는 "어디서든 쉽게 구할 수 있는 물이나 땀, 또는 대기 중 흩날리다 사라지는 수분을 에너지원으로 활용할 수 있는 에너지 하베스팅 기술”이라며 “높은 에너지 출력을 활용한 비상 전력 생산 또는 자가 발전기 크기 증대를 통해 대용량 이차전지를 충전하는 비상 전원 용도 등으로 활용할 수 있다ˮ고 말했다.

/세종=정종오 기자(ikokid@inews24.com)

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