공기만 있으면 ‘전기’ 만든다

포스텍 전상민·송민재 연구팀
공기 중 수분으로 전기 생산
기술 개발… 무선 이어폰 구동
기존 수분 발전기 성능 100배↑
웨어러블 등에 적용 가능 기대

공기 중 수분으로 전기를 만들어 내는 신기술이 포스텍 연구진팀에 의해 탄생했다. 이는 블루투스 이어폰을 실제로 작동시킬 만큼 강력한 전력으로 알려져, 미래 에너지 시장의 판도를 바꿀 게임체인저가 될지 기대된다.

포스텍 화학공학과 전상민 교수, 통합과정 송민재 씨 연구팀이 공기 중 습기만으로 전기를 만드는 '수분 발전기(MPG, Moisture-induced Power Generator)' 출력과 구동시간을 동시에 크게 향상하는 '연쇄적 이온·레독스 증폭 메커니즘'을 제안하고, 이를 구현한 소자를 개발했다. 이는 지금까지 이온 이동 기반 장치와 비교했을 때 100배 이상의 성능이다. 이번 연구는 국제 학술지인 '나노 에너지(Nano Energy)' 온라인판에 게재됐다.

연구팀이 이번에 개발한 '연쇄적 이온·레독스 증폭 메커니즘'은 공기 중 수분을 흡수했을 때 발생하는 이온 이동과 산화·환원 반응을 연쇄적으로 이어가며 전류를 더욱 강하게, 오래 유지하는 방식이다.

이를 구현하기 위해 연구팀은 음전하 고분자인 폴리스티렌술폰산(이하 PSSA)과 양전하 고분자인 폴리다이알릴다이메틸암모늄 클로라이드(이하 PDDA)를 쌓고, 카본 전극에 전도성 고분자인 폴리아닐린(이하 PANI)과 폴리피롤(이하 PPy)를 결합한 새로운 장치를 제작했다. 이 장치는 공기 중에 있는 수분을 흡수하면 단계적으로 반응이 이어지는 연쇄적 이온·레독스 증폭 메커니즘이 작동한다. 쉽게 말해 도미노 효과처럼 연쇄반응을 일으켜 전력을 계속 만드는 기술이다.

여기에 더해 연구팀은 알루미늄 그물(메쉬 전극, mesh electrode)을 추가했다. 알루미늄이 녹으면서 나오는 이온이 보조 전하 운반체 역할을 해 추가 전력을 만든다. 그 결과, 최대 단락 전류 밀도 15.3 mA/cm², 출력 밀도 1.33 mW/cm²(상대습도 75%)를 달성했다. 이는 기존 장치보다 약 100배 향상된 성능이다. 또한, 연구팀은 개발한 소자를 8개 직렬로 연결해, 외부 전원이나 추가 장치 없이도 9mW의 전력으로 블루투스 저에너지(BLE) 무선 센서를 구동하는 데 성공했다.

이 기술은 태양광이나 풍력발전 등과 달리 날씨와 관계없이 공기만 있다면 전기를 생산할 수 있어, 스마트팜·웨어러블·사물인터넷(IoT) 센서 등 다양한 분야에 적용될 수 있을 것으로 기대된다. 전상민 교수는 "공기 중 수분은 어디에나 존재하는 무한한 자원"이라며 "이번 연구는 친환경 자가발전 기술의 실사용과 상용화에 한 걸음 더 다가선 성과"라고 말했다.

한편, 이번 연구는 한국연구재단 지역혁신지원사업 지원을 받아 수행됐다.