물 한 방울이 배터리로… UNIST, 손톱보다 작은 초소형 발전기 개발

발전기 구조 자체 양이온 농도 차이 유도 작동 발전기

물 3μL 최대 45시간 전압 출력·디지털시계 직접 구동

손톱보다 작은 발전기에 물 3μL을 넣었더니 최대 45시간 전기가 나왔다.

UNIST 연구진이 물속 이온의 농도 차를 활용한 초소형 박막 발전기를 개발했다.

물을 떨어뜨려 터빈을 돌리지 않아도 전기를 만들 수 있는 초소형 발전기가 등장했다.

UNIST 에너지화학공학과 고현협 교수팀은 물속 양이온의 농도 차를 이용해 직류 전기를 생산하는 박막 수분 발전기를 개발했다고 9일 전했다.

연구진, (좌측부터) 고현협 교수, 나상윤 박사, 정건영 박사. UNIST 제공

발전기는 가로 5㎜, 세로 7㎜다. 손톱보다 작다. 전기를 만드는 박막의 두께는 15μm에 불과하다.

성능은 크기 이상이다. 물 3μL을 한 번 공급하면 20시간 이상 전압을 유지한다. 최대 약 45시간 동안 전압을 출력한다.

발전 방식도 기존 수력발전과 다르다. 물의 낙차 대신 '이온 농도 차'를 이용한다.

연구팀은 박막 내부에 폭이 점차 좁아지는 나노채널을 만들었다. 채널 벽에는 맥신과 셀룰로스 나노섬유를 배치했다.

물속에서 음전하를 띠는 채널 벽이 양이온을 끌어당긴다. 특히 통로가 좁아질수록 이온이 받는 영향이 커진다. 그 결과 통로 양쪽에 양이온 농도 차가 만들어지고 전압이 발생한다.

물은 박막 내부로 빠르게 퍼진다. 셀룰로스 나노섬유가 물을 끌어들이면서 모세관 현상이 발생하기 때문이다. 여러 층의 나노채널이 순차적으로 물에 젖으면서 이온 이동도 지속된다.

작지만 확장성도 확보했다. 연구팀은 2개 층으로 구성한 단위 소자 48개를 직렬로 연결해 디지털시계를 작동시켰다.

수돗물과 바닷물, 땀 등 다양한 액체에서도 전력 생산이 가능했다.

연구팀은 이번 발전기가 증발이나 흡습에 의존하지 않는다는 점에서 기존 수분 발전기와 차별화된다고 말했다. 주변 습도와 공기 흐름의 영향을 줄여 보다 안정적인 장시간 발전이 가능하다는 설명이다.

고현협 교수는 "얇고 유연한 구조를 활용해 여러 층으로 쌓을 수 있다"며 "웨어러블 전자기기와 소형 센서, 분산형 전자기기 등의 자가발전 전원으로 활용할 수 있을 것으로 기대한다"고 말했다.

연구그림, 발전기 소재 조합에 따른 이온·전자 이동과 출력 차이.

이번 연구는 나상윤·정건영 박사가 공동 제1저자로 참여했다. 연구 결과는 '어드밴스드 머티리얼즈'에 게재됐다.

영남취재본부 김수로 기자 relationship6007@asiae.co.kr