영남취재본부 김철우기자
빗물이 지붕에 부딪혀 튕겨 나가는 순간, 미세한 전류가 발생한다.
지붕으로 떨어지는 빗물로 전기를 만들어 폭우 상황에서 배수 장치나 경보 시스템을 가동할 수 있게 하는 기술이 나왔다.
UNIST 기계공학과 박영빈 교수팀은 빗방울로 전기를 만드는 탄소섬유 복합재 기반 물방울 발전기(액적 발전기, S-FRP-DEG)를 개발했다고 15일 전했다.
연구진(좌측부터) 박영빈 교수, 이성환 박사(제1저자), 김재진 연구원(제1저자). UNIST 제공
탄소섬유 복합재는 탄소섬유 다발을 플라스틱 수지에 섞은 소재로 가벼우면서도 강해 건물 지붕과 같은 외장재로 쓸 수 있는 소재다.
개발된 탄소섬유 복합재 발전기는 빗방울이 복합재 표면에 닿았다 빠르게 떨어지는 순간 전기를 만든다. 정전기와 흡사한 원리다. 빗방울은 양전하를, 복합재 표면은 음전하를 띠는데, 빗방울이 접촉했다 떨어지는 순간 전하 입자가 탄소섬유를 타고 이동하면서 전기가 흐른다.
기존의 금속 기반 물방울 발전기는 금속이 빗속의 오염물질에 의해 쉽게 부식되는 문제가 있었는데, 연구팀은 부식에 강한 탄소섬유 복합재를 사용해 이를 해결했다.
또 복합재 표면을 특수 가공한 뒤 위에 코팅재를 입혀 발전기의 발전 성능을 높였다. 빗방울의 순간적 접촉 면적은 넓히되, 빗방울이 빠르게 구슬처럼 변해 표면에서 굴러떨어지도록 만든 것이다. 미세한 요철이 가공된 표면은 빗방울의 접촉 면적을 넓히고, 코팅재는 복합재 표면을 마치 연꽃잎처럼 만들어 빗방울이 튕겨 나간다. 코팅재는 도심 오염물이나 매연이 달라붙는 것도 막을 수 있어, 야외에 설치된 발전기가 성능을 오래도록 유지할 수 있다.
실험에서, 개발된 발전기는 약 92μL(마이크로리터) 크기의 빗방울 하나가 떨어질 때 최대 약 60V의 전압과 수 μA(마이크로암페어) 수준의 전류를 생산했다. 발전기 4개를 직렬로 연결했을 때는 LED 전구 144개를 순간적으로 점등하는 데 성공했다.
탄소섬유 복합재 물방울 발전기(S-FRP-DEG)의 동작 개념과 전기 출력 과정.
연구팀은 이 발전기를 지붕 모서리나 배수 덕트에 부착해 강우량을 실시간으로 감지하는 시연도 했다. 빗방울이 많이 떨어질수록 전기 신호가 더 자주 발생했고, 이 신호를 기준으로 배수펌프를 켜는 방식이다. 약한 비, 보통 비, 강한 비 상황에 따라 펌프 작동 횟수가 달라져 침수 상황을 구분할 수 있게 된다.
이번 연구에는 이성환 박사와 김재진 연구원이 제1저자로 참여했다.
박영빈 교수는 "이 기술은 별도의 외부 전원 없이 빗물만으로 건물이나 교량 같은 도시 기반 시설을 관리하고 침수 피해를 예방하는 데 기여할 뿐만 아니라, 향후 항공기나 자동차 등 탄소섬유 복합재가 들어가는 모빌리티의 자가 전원 기술로 쓸 수 있을 것"이라고 말했다.
연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단(NRF) 중견연구자 지원사업을 통해 수행됐으며, 그 결과는 소재 분야 국제 학술지인 '어드밴스드 펑셔널 머터리얼즈(Advanced Functional Materials)'에 11월 20일 온라인 공개됐다.