KAIST, 극소량의 물로 전기 만들어 배터리 충전하는 기술 개발

층상구조를 이루는 맥신의 빠른 모세관 현상과 증산작용에 의해 유발되는 물의 흐름을 활용해 전기에너지로 변환하는 발전기, 바닷물로 상용 배터리 충전 가능(KAIST 제공)© 뉴스1

KAIST 신소재공학과 김일두 교수 연구팀이 나노물질 신소재인 맥신을 이용해 극소량의 물로 전기에너지를 생성해 배터리를 충전할 수 있는 친환경 발전 기술을 개발했다.

이는 사물인터넷(IoT)나 웨어러블 기기 등에 활용이 기대된다.

23일 KAIST에 따르면 연구팀은 이전 연구에서 전도성 탄소 나노입자가 코팅된 면(cotton)섬유의 한쪽 표면에 소량의 물을 떨어뜨리면 젖은 영역과 마른 영역으로 나뉘게 되면서 작은 양의 전기에너지가 발생하는 것을 발견한 바 있다.

이를 활용해 LED 전구의 불을 켜는 데 성공했으나, 실생활에 적용되기에는 에너지 생산 능력이 낮아 제한적이었다.

이에 연구팀은 물과 친한 친수성 표면을 가지며 빠른 모세관 현상을 유발할 수 있는 2차원 전도성 물질에 주목했다.

2차원 물질 중에서도 전도도가 금속에 가까운 전이금속 탄화물(맥신, MXene) 중 하나인 Ti3C2Tx를 면섬유에 코팅해 발전기를 제조했다.

그 결과, 기존 탄소 나노입자가 적용된 발전기보다 약 24배 높은 에너지 효율을 보였다.

또, 맥신을 전도성 고분자(Polyaniline)와 추가적으로 복합화했을 때, 탄소 나노입자를 사용했을 때보다 약 100배 더 높은 에너지 효율을 달성했다.

연구팀은 맥신 소재가 적용된 자가 발전기는 기존 탄소 입자가 적용된 소자보다 7.7배 작은 크기에서도 30.9 mW/cm3라는 세계 최고 수준의 전력 밀도를 기록하는 성과를 얻어냈다.

특히, 연구팀은 맥신 기반 자가발전기 16개를 병렬로, 10개를 직렬로 총 160개를 연결해 상용 리튬폴리머 배터리(30 mAh, 3.7 V)를 20분간 14%의 용량을 충전하는 데 세계 최초로 성공했다.

이번 연구성과는 그간 단순히 LED 전구의 불을 켜는 수준에서 배터리를 충전할 수 있는 수준으로 크게 향상시켰다는 것이 핵심이다.

김일두 교수는 “비상 전력 생산 또는 자가 발전기 크기 증대를 통해 대용량 이차전지를 충전하는 비상 전원 용도 등으로 활용할 수 있다”고 말했다.

한편, 이번 연구 결과는 환경 분야의 권위지 ‘에너지 및 환경과학’ 온라인판에 이달 게재됐다.


(대전=뉴스1)