물이 높은 곳에서 낮은 곳으로 떨어질 때 낙차를 이용해 전기에너지를 수확하는 수력발전은 친환경적이지만 많은 물이 필요합니다. 그 가운데 국내 연구진이 미량의 물방울을 이용해 발전(發電)하는 기술에 대해 소개하고 그 원리를 알아냈습니다.
서울대학교 김연상 교수 연구팀이 물이 다공성 구조에 스며드는 과정에서 발생하는 전기를 수확하는 에너지 하베스팅 원리를 규명했습니다. 해당 연구는 <Energy & Environmental Science>에 게재됐습니다.
물이 스며들 때 전기에너지 만들 수 있다
최근 토양이나 나무의 증산작용 등에서 나타나는 모세관 현상을 이용하여 적은 양의 물로 상당한 전기에너지를 생성하는 에너지 하베스팅 기술이 큰 주목을 받고 있습니다. 하지만 전기에너지가 생성되는 원리에 대한 정확한 이해가 부족해 액체-고체 계면에 대한 정확한 이해가 필요한 상황입니다. 연구팀은 표면특성이 잘 알려진 산화구리 나노선이 배열된 다공성 필름형 소자를 만들었습니다. 여기에 물방울을 떨어뜨려 필름의 젖은 부분과 마른 부분 각각에 놓인 나노선의 전하 에너지 준위 차이에 의해 전기를 발생시킬 수 있음을 보여줬습니다.
특히, 반도체 특성이 잘 알려진 산화구리 나노선이 모세관 현상에 의해 물이 스며들 때 전기에너지를 생산하는 원리를 반도체 공학적으로 규명했습니다. 물이 스며들 때 물 속의 이온이 나노선 표면에 흡착되면서 나노선의 전하 에너지 준위 특성을 변화시키는 것을 알아냈습니다. 나아가 스며드는 물 속의 이온농도가 증가함에 따라 소자의 성능도 높아지는 것을 통해 이온-고체 표면 상호작용인 이온발전(Ionovoltaic) 현상임을 규명했습니다.
실제 산화구리 나노선 기반의 다공성 필름형 소자(1.5·6 cm)에 수돗물 수준의 이온농도를 갖는 소금물 네 방울 정도(20μl)를 떨어뜨려 ~0.45V, ~0.23μA의 전압, 전류를 40분 동안 생성했습니다. 또한 소자의 직렬, 병렬연결을 통해 건전지처럼 전압과 전류를 증폭할 수 있는 것도 확인했습니다. 실제 연구팀이 8개의 소자를 직렬연결하고 각각의 소자에 바닷물 한 방울(5μl)씩 스며들게 했을 때 녹색 LED를 4분 이상 연속적으로 켤 수 있었습니다.
이번 연구는 이온을 포함하는 하천수나 바닷물 등 자연의 다양한 물 자원을 이용한 에너지 하베스팅 기술의 기반이 되는 원리를 규명하는 한편, 향후 물속의 극미량 물질을 탐지하는 생화학 센서로 응용할 수 있는 실마리를 제공한 것으로 기대됩니다.
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