대기 중의 수분을 흡착하는 조해성 염 CaCl2 를 적용해 자연의 수분 순환 과정을 모사한 발전기./사진제공=KAIST 

KAIST 신소재공학과 김일두 교수 연구팀은 아주 소량의 물(0.15ml) 또는 대기 중의 수분을 자발적으로 흡수하는 조해성 물질을 활용, 전기에너지를 생성하는 친환경 발전기를 개발했다고 16일 밝혔다.

연구팀은 전도성 탄소 나노 입자가 코팅된 면(cotton)섬유 표면에 소량의 물을 떨어뜨리면 젖은 영역과 마른 영역으로 나뉘게 되면서 작은 양의 전기에너지가 발생하는 것을 발견했다.

이를 통해 물이 완전히 증발하기 전까지 수소 이온이 천천히 이동하며 약 1시간 동안 발전이 가능한 것을 확인했다.

하지만 물이 완전히 증발하게 되면 전기 발생이 멈춰 발전시간을 늘리기 위한 해결책을 찾아야만 했었다.

연구팀은 발전 시간을 늘리기 위한 방안으로 대기 중의 물을 스스로 흡수한 후 천천히 방출하는 조해성 물질 중 하나인 염화칼슘(CaCl2)에 주목했다.

탄소 입자가 코팅된 면섬유의 한쪽 면에 염화칼슘을 묻혔더니 습도 20% 이상에서는 자발적인 수분 흡착으로 전력이 지속해서 유지되는 결과를 얻었다.

이렇게 개발한 자가발전기 6개를 직렬로 연결해 전압 4.2V, 에너지 밀도 22.4mWh/cm3를 얻어 LED 전구(20mW)의 불을 켜는 데 성공했다.

김일두 교수./사진제공=KAIST

또 이 기술은 현재 일반 대기 환경에서 2주 이상 발전하는 성능을 보이는 것도 확인했다.

김 교수는 "움직이기만 해도 생기는 땀이나 대기 중 흩날리다 사라지는 수분을 에너지원으로 활용할 수 없을까? 라는 의문에서 이 연구를 시작하게 됐다" 며 "태양광, 풍력 발전 등 친환경 발전기들이 외부의 환경적인 요소에 제약을 많이 받는 것에 비해 이 기술은 20∼80% 습도 구간에서는 외부에서 물을 공급해 주지 않더라도 전기를 만들어 낼 수 있어 앞으로 다양한 사물인터넷, 웨어러블 기기. 이차전지 충전 용도 등에 활용할 수 있을 것으로 기대된다"고 말했다.

한편, 삼성미래육성사업의 지원을 받아 수행된 이번 연구 결과는 나노과학 분야의 권위적인 학술지 '에이씨에스 나노(ACS Nano)' 11월 26일 자와 환경 분야의 권위지인 '에너지 및 환경과학(Energy & Environmental Science)' 12월 호에 게재됐으며 관련 원천특허도 확보했다.

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