초미량 물로 전기 생산…디지털 시계 작동 성공

UNIST 초소형 박막 수분 발전기 개발…산화 그래핀 류보다 5,000배 높은 전류 생산

눈에 보일듯 말듯한 초미량 물로 최대 45시간 정기를 생산하는 수력발전기가 개발됐다. 여기서 발생한 전기로 디지털 시계 작동에 성공했다.

UNIST는 고현협 에너지화학공학과 교수 연구팀이 물속 양이온의 농도 차로 장시간 직류 전기를 생산하는 초소형 박막 수분 발전기를 개발했다고 9일 밝혔다.

이 발전기는 맥신과 셀룰로스 나노소재를 섞어 만든 재료로 나노통로를 만드는 것이 핵심이다. 소자의 한쪽 끝부분을 물리적으로 눌러, 비대칭 나노통로를 형성했다.

UNIST 연구팀. 왼쪽부터 고현협 교수, 나상윤 박사, 정건영 박사.(사진=UNIST)

물이 소자 입구로 들어오면 셀룰로스 나노섬유가 물을 흡수한다. 그러면, 입구 쪽은 크게 부풀지만, 반대쪽은 눌려 있어 좁은 나노통로 구조를 그대로 유지, 소자 내부에 한쪽으로 갈수록 폭이 좁아지는 물 통로가 만들어진다.

통로 폭의 차이는 두 영역에서 서로 다른 양이온 선택성을 만든다. 넓은 입구 쪽에서는 양이온과 음이온이 모두 비교적 자유롭게 움직이는 반면, 좁은 나노통로에서는 맥신과 셀룰로스 나노섬유 표면의 음전하가 양이온을 선택적으로 끌어당긴다.

특히 폭이 약 1.4nm인 나노통로에서는 통로 벽의 영향이 전체에 미쳐 좁은 영역의 양이온 농도가 넓은 영역보다 높아진다. 양쪽 양이온 농도 차이에 따라 전압이 형성되는 원리다.

연구팀은 셀룰로스 나노섬유의 이온전도성과 맥신의 전자전도성을 하나의 나노통로 구조에 결합, 나노통로 내부에서 만들어진 이온 농도 차를 전자전류로 변환하는 데도 성공했다.

비교 실험에서 맥신·셀룰로스 나노섬유 소자는 전자전도성이 낮은 산화 그래핀(GO)·셀룰로스 나노섬유 소자보다 무려 5,000배 이상 높은 전류를 출력했다. 맥신 함량을 최적화한 소자는 53.8mA/㎤의 전류밀도와 2.1mW/㎤의 체적 전력밀도를 기록했다.

연구팀은 물 3마이크로리터(μL)만으로 20시간 이상 안정적인 전압을 유지했다고 밝혔다. 최대 약 45시간 동안 전압 출력도 확인했다.

발전기 소재 조합에 따른 이온·전자 이동과 출력 차이를 나타냈다.(그림=UNIST)

또한 상대습도 17~90%와 분당 5~20리터의 공기 흐름에서도 안정적인 출력을 나타냈다. 증류수뿐만 아니라 수돗물과 바닷물, 땀으로도 전력을 생산했다. 반복적인 수화·건조 과정에서도 성능을 유지했다.

연구팀은 "개발된 수분 발전기는 두께가 약 15㎛ 초박막 구조"라며 "여러 층으로 쌓아 제한된 면적에서도 전력 생산량을 늘릴 수 있다"며 "실제 2개층으로 쌓은 단위 소자 48개를 직렬로 연결, 상용 디지털시계를 직접 구동했다. 웨어러블 전자기기의 자가발전 전원으로 활용할 가능성도 확인했다"고 설명했다.

단위소자 발전 성능은 83mV에 전류는 10㎂다. 소자 48개를 연결시 3.6V, 9 ㎂의 출력을 낸다. 실험에 사용된 디지털 시계는 LED 기반으로 1.5V 전압에, 2㎂ 전류가 필요하다.

연구에는 나상윤·정건영 에너지화학공학과 박사가 공동 제1저자로 참여했다.

정건영 박사는 전화통화에서 "특허출원까지 진행했다. 기술성숙도는 실험실 성능 검증에서 시제품으로 넘어가는 단계다"라며 "상용화를 위한 창업계획은 따로 없는 상태"라고 말했다.

고현협 교수는 "향후 웨어러블 헬스케어 기기와 소형 전자기기, 분산형 사물인터넷(IoT) 시스템 등 지속적이고 독립적인 전원 공급이 필요한 다양한 분야에 적용할 수 있을 것"으로 기대했다.

연구성과는 재료분야 국제학술지 어드밴스드 머티리얼즈에 온라인으로 게재됐다.