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물 몇 방울로 전기 생산··· "전기차 배터리 목표"

김일두 KAIST 교수팀, 전기에너지 생성 '친환경 발전기' 개발
전구 불 켜기 성공···IoT·웨어러블 기기 등 활용 기대
"움직이기만 해도 생기는 땀이나 대기 중 흩날리다 사라지는 수분을 에너지원으로 사용할 수 없을까? 라는 의문에서 연구를 시작했죠."

국내 연구진이 물먹는 하마(제습제) 속 염화칼슘을 활용해 대기 중 수분을 흡수하고 전기를 생산하는 데 성공했다. 이 같은 현상의 원리를 이해하는 데만 3년이 걸렸다. 최근에는 친환경 발전기도 만들어 전구 불을 켜는 데 성공했다. 에너지 공급 없이 웨어러블기기나 IoT센서 기기 등을 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

김일두 KAIST 교수.<사진=KAIST 제공>김일두 KAIST 교수.<사진=KAIST 제공>
연구를 주도한 것은 김일두 KAIST 신소재공학과 교수 연구팀이다.  

김 교수팀이 만든 친환경 발전기는 전도성 탄소 나노 입자가 코팅된 면섬유 표면에 물을 떨어뜨리는 것만으로 전기생산이 가능하다.

김 교수에 따르면 물속에는 많은 수소이온이 포함돼 있다. 한쪽이 젖고, 한쪽이 마른 상태가 되면 수소이온도 함께 이동하게 되는데, 그때 전도성 탄소나노입자를 통해 소량의 전기가 생산되는 것을 발견했다.

하지만 물이 완전 증발되면 전기 발생이 멈추는 단점이 있었다. 김 교수팀은 발전 시간을 늘리기 위해 대기 중 물을 스스로 흡수한 후 천천히 방출하는 조해성 물질 중 하나인 염화칼슘에 주목했다. 염화칼슘은 제설제나 제습제인 물먹는 하마 등에 사용되는 화합물이다.

김 교수팀은 염화칼슘을 코팅된 면섬유 한쪽 면에 묻히고 대기 중 수분을 흡수하며 전력을 생산하는 것을 발견했다. 연구팀에 따르면 습도 20% 이상만 되면 대기 중 수분흡착이 가능해 365일 전력을 지속적으로 발생시킬 수 있다. 

연구팀은 개발한 발전기 6개를 직렬로 연결해 전압 4.2V, 에너지 밀도 22.4mWh/cm3를 얻어 LED 전구(20mW)의 불을 켜는 데 성공했다. 연구팀이 개발한 발전기는 20∼80% 습도 구간에서는 외부에서 물을 공급해 주지 않더라도 전기를 만들어 낼 수 있다.

물을 이용해 전기를 생산하는 원리를 규명하기 위해 김 교수팀은 세계 연구자들과 3년간의 논의과정을 거쳤다. 최종적으로 식물의 증산작용과 유사한 원리로 에너지를 만들어낸다는 것을 알아냈다.<사진=KAIST 제공>물을 이용해 전기를 생산하는 원리를 규명하기 위해 김 교수팀은 세계 연구자들과 3년간의 논의과정을 거쳤다. 최종적으로 식물의 증산작용과 유사한 원리로 에너지를 만들어낸다는 것을 알아냈다.<사진=KAIST 제공>

물을 활용한 신재생에너지로는 대표적으로 수력이나 조력 등이 있지만 대용량의 물을 사용하기 때문에 환경요건이 갖춰지지 않으면 발전이 어렵다는 단점이 있다. 김 교수는 이번 연구로 환경에 영향을 받지 않으면서 에너지를 생산할 수 있기를 바라고 있다. 

김 교수는 "물을 활용해 전기 생산을 하는 현상은 이해가 됐지만 어떤 원리인지 규명하는 게 어려웠다. 세계 각국 연구자들과 논의하면서 원리를 알아내는 데 3년이 걸렸다"며 "최종적으로 식물의 증산작용과 유사한 원리로 에너지를 만들어 낸다는 것을 알 수 있었다"고 말했다.

이어 그는 "현재는 웨어러블 기기를 구동할 정도의 전력만 생산 가능하지만 나중에는 전기차 배터리를 충전할 수 있을 만큼 확대를 해보고 싶다"고 말했다.

이번 연구 결과는 나노과학분야 학술지' 에이씨에스 나노(ACS Nano)' 11월 26일 자와 환경 분야 학술지 '에너지 및 환경과학(Energy & Environmental Science)'12월 호에 게재됐다.

한편, 김 교수는 이온이 많이 들어 있는 땀을 이용해 에너지 생산연구도 같이 진행하고 있다. 
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