"극소량 물만 있으면 전기생산 OK" KAIST 친환경 자가발전기 개발

- 김일두 교수팀, 리튬배터리 20분간 14%의 용량 충전 성공

층상구조를 이루는 맥신의 빠른 모세관 현상과 증산작용에 의해 유발되는 물의 흐름을 활용하여 전기에너지로 변환하는 발전기. 바닷물로 상용 배터리 충전 가능하다.[KAIST 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 극소량의 물만으로도 전기를 생산해 비상전원 용도로 활용할 수 있는 기술이 개발됐다.

한국과학기술원(KAIST)은 신소재공학과 김일두 교수 연구팀이 2차원 전도성 나노물질인 맥신(MXene) 소재와 30μL(마이크로리터)의 극소량의 물만으로 전기에너지를 생성, 이 에너지로 배터리를 충전할 수 있는 친환경 발전기를 개발했다고 23일 밝혔다.

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 성공했으나, 실생활에 적용되기에는 에너지 생산 능력이 낮아 제한적이었다.

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 보였으며, 맥신을 전도성 고분자와 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(30mAh)를 20분간 14%의 용량을 충전하는 데 세계 최초로 성공했다.

맥신을 활용한 물흐름 기반 에너지 생산 장치를 활용한 LED 구동 시연 모습.[KAIST 제공]

이번 연구 결과는 기존 전도체 상에 물의 비대칭적인 흡착과 증발을 활용한 에너지 하베스팅 연구 등에서 보인 제한적인 에너지 생산 능력에 의해 단순히 LED 전구의 불을 켜는 수준에서, 배터리를 충전할 수 있는 수준으로 크게 향상된 성능이 특징이다. 이는 다양한 사물인터넷(IoT), 웨어러블 기기 등에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

김일두 교수는 “어디서든 쉽게 구할 수 있는 물이나 땀, 또는 대기 중 흩날리다 사라지는 수분을 에너지원으로 활용할 수 있는 에너지 하베스팅 기술로, 지속적인 발전이 가능한 장점이 있다”면서 “맥신 물질을 사용하였을 때 물과 친한 성질과 빠른 물 확산 특성에 의해 크게 향상된 성능을 보임을 확인했고, 높은 에너지 출력을 활용한 비상 전력 생산 또는 자가 발전기 크기 증대를 통해 대용량 이차전지를 충전하는 비상 전원 용도 등으로 활용할 수 있다”라고 말했다.

이번 연구결과는 환경 분야 국제학술지 ‘에너지 및 환경과학’ 11월호 온라인에 게재됐으며, 한국, 미국, PCT 특허출원을 통해 원천기술을 확보했다.

nbgkoo@heraldcorp.com