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NEW 아주대·한국세라믹기술원 연구팀, 물 이용한 전기생산 원리 규명
- 2023-01-31
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아주대·한국세라믹기술원 공동 연구팀이 폐의류 기반 소재를 활용해 수분 자가 발전의 원리를 규명하는 데 성공했다. 수분 자가 발전은 물과 습기 같은 수분에서 전기를 생산할 수 있는 방안으로 무한한 가능성을 가지고 있어, 학계와 산업계의 주목을 받고 있는 에너지 분야다.
아주대 조성범 교수(첨단신소재공학과, 위 사진 왼쪽)는 폐의류 기반 탄소 코팅 투과성 소재를 이용해 수분 자가 발전기(Hydrovoltaics)의 원리를 규명했다고 밝혔다. 해당 내용은 “왜 투과성 탄소 소재에 있는 물은 전기를 만들어 내는가? 물방울에 맺힌 양성자의 친수 투과성 탄소 소재 내의 동전기적 역할에 대해(Why does water in porous carbon generate electricity?: Electrokinetic role of protons in a water droplet-induced hydrovoltaic system of hydrophilic porous carbon)”라는 논문으로 재료·화학 분야 저명학회인 영국 왕립화학회(Royal Society of Chemistry)에서 발행하는 <재료화학저널 A(Journal of Materials Chemistry A)> 2023년 1월호 표지논문으로 게재됐다. 한국세라믹기술원 고현석 박사(위 사진 오른쪽) 연구팀이 함께 참여했다.
물을 이용한 발전은 인류의 전기 역사와 함께 시작된 발전 방법 중의 하나로, 지구의 70% 이상 비중을 차지하는 수자원을 활용하면 친환경 에너지 생산이 가능하다. 최근에는 물의 위치 차를 이용한 수력 발전을 넘어 소재와 직접적인 상호작용으로 전기를 생산하는 새로운 방법이 연구되고 있다. 특히 전도성 탄소 입자를 입힌 면 섬유 한쪽에 물방울을 떨어뜨리면 물 속 수소 이온이 젖은 쪽에서 마른 쪽으로 이동하면서 전류가 흐른다는 사실이 발견되어 관련한 연구가 활발히 진행되어 왔다.
이러한 수분 자가 발전은 배터리 교체 없이 오로지 수분만을 이용해 친환경·저비용으로 전기를 생산할 수 있다는 점에서 그 가능성이 무한하다. 특히 사물인터넷(IoT)과 웨어러블 기기의 전력원, 스마트 팩토리와 도서 지역에의 전기 공급 등으로 널리 활용될 수 있다. 그러나 아직 전기 발생의 원리와 메커니즘에 대한 명확한 해석이 없어, 대용량 발전 및 응용 분야 활용을 위한 설계에 많은 어려움이 존재해왔다.
아주대 공동 연구팀은 탄소 소재의 수분 발전 현상을 규명하고자 폐의류에 탄소 소재를 코팅하여 수분 발전이 가능함을 실증하고, 이를 ‘유동-확산-반응-정전기’ 4종의 물리현상을 연계한 다중물리 시뮬레이션 모델로 제작하여 수분 발전의 원동력에 대한 비밀을 풀어냈다.
학계의 기존 가설에서는 동전기전위(streaming potential)와 양성자 이동 등이 수분 발전의 주요 원인으로 생각되어 왔다. 이에 대한 많은 연구와 토의가 있었지만, 실험적 관측의 한계로 그 원리를 규명할 수는 없었다. 하지만 아주대 공동 연구팀은 현상을 거의 완전하게 모사할 수 있는 시뮬레이션 모델을 활용해 그 원리를 규명해냈다. 수분 발전에서 전기 생성의 핵심 원리가 기존 통념과는 다르게 탄소 표면에서 물과 화학반응을 통한 이온의 생성과 생성된 수소이온(H3O+)의 이동이라는 점을 입증한 것.
이에 그동안 명확한 해석에 어려움을 겪던 수분 자가 발전의 원리를 규명, 수분 자가 발전의 응용과 적용을 위한 길을 열었다는 데 이번 연구의 의미가 있다. 현재 수분 자가 발전에 대한 연구는 미국 메사추세츠대학과 중국 난징항공대 그리고 한국의 서울대와 카이스트를 주축으로 활발히 이루어지고 있다.
고현석 한국세라믹기술원 박사는 “이번 연구를 통해 수분 자가 발전 원리에 대한 근본적인 이해를 제시한 데 그 의의가 있다”며 “향후 수분 자가 발전 에너지 수확에 필요한 소재 선정에 있어 새로운 척도를 제공할 것으로 전망한다”고 말했다.
조성범 아주대 교수는 “연구팀의 시뮬레이션 모델을 통해 수분 자가 발전의 성능을 크게 높일 수 있을 것으로 기대한다”며 “단순한 수분을 넘어 바닷물이나 공기 중의 수증기를 활용한 자가 발전의 응용과 발전에도 참고가 될 것”이라고 전했다.
한편 이번 연구 성과는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 이공분야 기초연구사업, 산업통상자원부 가상공학플랫폼 등의 지원을 통해 수행되었다.
<영국 왕립화학회(Royal Society of Chemistry) 발행 <재료화학저널 A(Journal of Materials Chemistry A)> 2023년 1월호 표지논문에 실린 연구팀의 연구 성과 관련 이미지. 물방울이 떨어진 폐의류 기반 탄소 코팅 투과성 소재에서 전기가 발생하는 과정과 원리가 담겨 있다>