청바지 염색 염료 이용해 '수분 → 전기' 변환

왼쪽부터 전상민 포스텍 화학공학과 교수, 송민재 연구원, 김대웅 연구원. 포스텍 제공

국내 연구진이 수분을 전기로 변환하는 수분 구동 발전기의 생산 전력을 세계 최고 수준으로 개선했다. 이는 에너지 효율성과 지속 가능성을 높이는 친환경 기술로 사용될 것으로 기대된다.

포스텍은 전상민 포스텍 화학공학과 교수 연구팀이 이온의 출입에 따라 전기적 환원반응을 나타내는 금속-유기 골격체를 사용해 우수한 전력과 전류밀도를 가진 수분 구동 발전기를 개발했다는 연구 결과를 5월 7일 국제학술지 ‘에너지와 환경과학'에 발표했다고 14일 밝혔다.

수분 구동 발전기는 수분을 이용해 발전기 내부의 전하를 띈 이온을 이동시켜 전력을 생산한다. 주변의 버려지는 에너지를 전기에너지로 전환해 유용하게 쓸 수 있어 차세대 에너지원으로 주목받고 있는 에너지 하베스팅 기술 중 하나이지만 전력 생산이 약하다는 한계가 있었다.

이번 연구에서는 전기화학적 활성물질인 베를린 그린을 사용해 전력 생산을 높였다. 배터리나 슈퍼커패시터 등에서는 프러시안블루와 같은 전기화학 활성물질로 전력 생산을 높이는 연구가 있었으나 수분 구동 발전기에서는 이러한 시도가 거의 없고 주로 전극을 개선해 전력 생산을 늘리려는 연구가 대부분이었다.

베를린 그린은 철과 시안화물 이온(CN-)이 결합한 금속-유기 골격체 물질이다. 러시안 블루가 산화된 물질이며 청바지 염료로도 사용된다. 이번 연구에서 베를린 그린은 기존 전극에 쌓이는 전하 때문에 흐르는 비 패러데이 전류만 생산하던 수분 구동 발전기에 직접적인 전기화학 반응으로 흐르는 패러데이 전류도 함께 생산할 수 있도록 했다.

연구팀이 개발한 수분 구동 발전기는 베를린 그린과 산화 그래핀과 셀룰로스 나노섬유로 이루어진 BCG 층과 염화소듐과 셀룰로스 나노섬유로 이루어진 NC 층이 쌓인 이중 층으로 구성돼 있다. 수분 구동 발전기가 수분을 흡수하면 NC 층에 있는 소듐 이온이 떨어져 나와 BGC 층으로 이동한다. 이때 전자가 이동하면서 전기가 생성된다. 동시에 베를린 그린에 소듐 이온이 삽입돼 베를린 그린이 프러시안블루로 환원되면서 전기를 추가로 생산했다.

연구진은 이때 1.2볼트(V)의 전압과 제곱센티미터(㎠)당 2.8밀리암페어(mA)의 전류밀도를 가진 전기에너지를 생산할 수 있음을 확인했다. 전압과 전류밀도가 기존 수분 구동 발전기에 비해 각각 2배, 10배가량 높았으며 특히 전류밀도는 학계에 보고 된 수치 중 가장 높았다. 

연구진은 이번에 개발한 수분 구동 발전기가 전자계산기, 작은 전구 등 일상의 소형 전자기기들을 구동할 정도로 충분한 전력을 생산한다는 점도 확인했다.  

연구진은 "이번에 개발된 수분 전력 생산기를 이용해 날숨에서 나오는 수분으로 전력을 생산하고, 생산된 전력으로 생체신호를 측정하는 센서와 통신시스템을 구동시켜 중환자나 산업 근로자 건강 상태를 실시간으로 모니터링할 수 있는 마스크를 개발 중"이라고 전했다.

[갈민지 기자 willgominji@donga.com]