물만으로 전기 생산...수분자가발전 원리 규명

한국세라믹기술원 고현석 박사와 아주대 조성범 교수 공동연구팀이 폐의류를 이용한 수분자가발전(Hydrovoltaics)의 원리를 규명하는 데 성공했다.

물을 이용한 발전은 인류의 전기 역사와 함께 시작하며 물레방아와 같이 위치 차이를 이용한 발전을 넘어 삼투압, 자연증발의 추진력을 이용한 발전이 연구되고 있다. 

최근 전도성 탄소입자를 입힌 면섬유 한쪽에 물방울을 떨어뜨리면 물 속 수소 이온이 젖은 쪽에서 마른 쪽으로 이동하며 전류가 흐른다는 '수분자가발전'에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

'수분자가발전'은 배터리 없이 수분으로만 전기를 생산할 수 있어 그 가능성이 무한하지만 전기발생의 원리에 대한 명확한 설명이 없어 대용량발전 및 응용분야(사물인터넷 센서, 웨어러블 전력원 등) 활용을 위한 설계에 어려움이 존재한다. 

공동연구팀은 탄소 소재의 수분자가발전 현상을 규명하기 위해 '이동-확산-반응-정전기' 4종의 물리현상을 연계한 시뮬레이션 모델을 만들어 수분발전의 원동력에 대한 비밀을 풀었다.

기존 가설은 동전기전위(Streaming Potential)*와 양성자 이동 등이 주요 원인으로 생각되어 많은 논의가 있었지만 실험적 관측의 한계로 그 원리를 규명할 수는 없었다. 

하지만 현상을 완전하게 모사한 시뮬레이션 모델을 개발한 결과, 기존 가설과는 다르게 탄소표면에서 물과 화학반응을 통한 이온의 생성과 생성된 수소이온 (H3O+)의 이동이 전기 생성의 핵심임을 입증했다. 또한, 상대습도, 표면 촉매 효과, 다공체의 기공률 등이 수분자가발전 효율에 미치는 영향을 보고했다. 

고현석 박사는 "수분자가발전 원리에 대한 근본적인 이해를 제시했다"며 "향후 수분자가발전 에너지수확 소재 선정과 설계에 있어 새로운 척도를 제공할 것이다"라고 밝혔다.

조성범 교수는 "해당 시뮬레이션 모델을 통해 수분자가발전의 성능을 크게 높일 것으로 기대한다"며 "단순한 수분을 넘어 바닷물이나 공기 중의 수증기를 활용한 자가 발전에도 기여할 것으로 기대된다"고 말했다.

한편, 이번 연구 성과는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 이공분야 기초연구사업, 산업통상자원부 가상공학플랫폼 등의 지원을 통해 수행됐으며, 영국 왕립화학회(Royal Society of Chemistry)에서 발행하는 재료화학저널A(Journal of Materials Chemistry A, IF: 14.511) 2023년 1월호의 표지논문으로 게재됐다.

진주=강연만 기자 kk77@kukinews.com