KAIST 신소재공학과 김일두 교수 연구팀이 아주 소량의 물(0.15ml) 혹은 대기 중의 수분을 자발적으로 흡수하는 조해성 물질을 활용해 전기에너지를 생성하는 친환경 발전기를 개발했습니다. 해당 연구 논문은 <ACS Nano>와 <Energy & Environmental Science>에 게재됐습니다. 또한 개발된 발전기는 관련 원천특허를 확보했다고 합니다.
염화칼슘에서 답을 얻다
김 교수 연구팀은 전도성 탄소 나노 입자가 코팅된 면(cotton) 섬유 표면에 소량의 물을 떨어뜨렸습니다. 그 결과 연구팀은 섬유 표면이 젖은 영역과 마른 영역으로 나뉘면서 전기에너지가 발생한다는 사실을 발견했습니다.
이를 통해 연구팀은 물이 완전히 증발하기 전까지 수소 이온이 천천히 이동하며 약 1시간 동안 발전이 가능하다는 걸 확인했는데요. 하지만 물이 완전히 증발하게 되면 전기 발생이 멈추게 됩니다. 지속적인 발전을 위해서는 주기적으로 물을 떨어뜨려야 했습니다. 실용성 측면에서 문제가 있었던 거죠.
연구팀은 발전 시간을 늘리기 위해 대기 중의 물을 스스로 흡수한 후 천천히 방출하는 조해성 물질 중 하나인 염화칼슘(CaCl2)에 주목했습니다. 연구팀은 탄소 입자가 코팅된 면섬유의 한쪽 면에 염화칼슘을 묻혔는데요. 그 결과 연구팀은 습도 20% 이상에서는 자발적인 수분 흡착으로 전력이 지속해서 유지되는 결과를 얻었습니다.
연구팀은 이렇게 개발한 자가발전기 6개를 직렬로 연결했는데요. 그 결과 연구팀은 전압 4.2V, 에너지 밀도 22.4mWh/cm3를 얻어 LED 전구(20mW)의 불을 켜는 데 성공했습니다. 태양광, 풍력 발전 등 친환경 발전기들이 외부의 환경적인 요소에 제약을 많이 받습니다. 반면 연구팀이 개발한 발전기는 20∼80% 습도 구간에서는 외부에서 물을 공급해 주지 않더라도 전기를 만들어 낼 수 있습니다. 연구팀의 발전기는 다양한 사물인터넷, 웨어러블 기기 등에 활용할 수 있을 것으로 기대됩니다.
김 교수는 "'움직이기만 해도 생기는 땀이나 대기 중 흩날리다 사라지는 수분을 에너지원으로 활용할 수 없을까?'라는 의문에서 연구를 시작했다"며 "조해성 염이 포함된 자가발전기는 일반 대기 환경에서 2주 이상 발전하는 성능을 확인했고, 사물인터넷용 지속 전력 공급원 또는 자가 발전기 크기 증대를 통해 이차전지를 충전하는 용도 등으로 활용할 수 있다"고 말했습니다.
