[LAB을 찾아서]일교차 활용해 전기 만든다…아주대 연구팀 신기술 개발

아주대학교 연구팀이 일교차를 활용해 공기 중 수분을 모으고, 이를 전기에너지로 바꾸는 기술을 개발했다.

왼쪽 상단부터 시계방향으로 윤태광 아주대 교수, 김동연 KAIST 연구원, 윤기로 생기원 박사, 이용균 아주대 연구원, 이지현 한양대 연구원. 아주대학교

아주대는 윤태광 아주대 응용화학생명공학과 교수와 윤기로 한국생산기술연구원 수석연구원 공동 연구팀이 오지나 물이 부족한 사막 등 극한 환경에서도 외부 물 공급 없이 스스로 전력을 생산할 수 있는 신개념 에너지하베스팅(Energy Harvesting) 시스템을 개발했다고 11일 밝혔다.

에너지하베스팅은 태양광, 진동, 열, 바람, 파도 등 자연에너지나 일상생활에서 버려지는 에너지를 수집해 전기에너지로 재생산하는 기술이다. 기존의 물 기반 에너지하베스팅 기술은 '젖은 면과 마른 면의 전위차'를 활용해 전기를 생산했지만, 항상 외부에서 물을 공급해줘야 하는 한계가 있었다. 연구팀은 한계를 극복하기 위해 식물의 증산작용과 모세관 현상에서 착안한 두 종류의 금속·유기 구조체(MOF)인 UiO-66-NH2와 Ni3(HITP)2를 결합했다. 이를 통해 대기 중 수분을 스스로 모아 전기를 발생시키는 완전 자율형 시스템을 구현했다.

UiO-66-NH2는 차가운 밤공기에서 수분을 흡수하고, 낮의 더운 공기에서 흡수한 수분을 방출한다. 방출된 수분은 Ni3(HITP)2가 성장한 섬유 표면에 응축되며, 이때 섬유의 비대칭적인 젖음으로 인해 전위차가 발생하고 전기가 흐르게 된다. 연구팀은 이 과정을 통해 최대 전력밀도 2.6μW/cm3, 에너지 밀도 1.1mJ/cm3를 달성하는 데 성공했다.

특히 UiO-66-NH2는 일반적인 환경은 물론 저습 환경에서도 뛰어난 수분 흡·탈착 성능을 보여 다양한 환경에 적용할 수 있는 가능성을 열었다. 연구진은 사막, 해안, 내륙 등 실제 기후 환경을 모사한 실험을 통해 각 환경에서 자가 수분 생성 및 전기에너지 생산 기능이 안정적으로 작동함을 입증하기도 했다.

이번 연구 성과는 국제 저명 학술지 'Composites Part B: Engineering'에 게재됐다. 제1저자로는 이지현(한양대 석사·박사통합과정), 김동연(KAIST 박사과정), 이용균(아주대 석사과정) 학생이, 공동 교신저자로는 윤 교수와 윤 수석연구원이 참여했다.

윤 교수는 "이번 연구는 외부 전력이나 물 공급 없이도 작동 가능한 자립형 에너지하베스팅 시스템의 실현 가능성을 보여준다"며 "향후 재난 현장이나 에너지 접근성이 낮은 지역에서 새로운 대안이 될 수 있길 기대한다"고 말했다.

윤 수석연구원은 "극한 기후나 인프라가 부족한 지역에서도 손쉽게 전기를 얻을 수 있는 기술적 기반을 마련한 것"이며 "탄소중립 사회를 향한 지속 가능한 에너지 기술의 실질적 기여로 이어지길 바란다"고 전했다.

최영찬 기자 elach1@asiae.co.kr