융합이야기: 꿈의 에너지_빗방울로 전기를 생산하다. 김연상 교수팀(친환경전지기술연구센터장) 연구성과 소개

글: 박준우 연구원 (융대원 나노융합전공 박사과정)

지난 4월말 융기원 친환경전지기술연구센터장인 김연상교수 연구팀(서울대 융합과학기술대학원)이 물방울 흐름을 이용해 전기를 생산하는 기술을 개발하여 주목을 받았다.

물방울의 흔들림에서 발생하는 전기용량 변동을 전기에너지로 변환하는 기술을 개발한 것이다.

이달의 '리서치하이라이트'에서는 일상생활에서도 쉽게 에너지를 얻을 수 있는 획기적인 기술이자 '꿈의 에너지'를 실현할 이번 연구성과를 소개하고자 한다.

1. 연구 개요

본 연구는 외부의 전력이나 복잡한 공정 없이, 일상생활 속의 다양한 물방울의 움직임이나 물의 흐름을 이용하여 전기에너지를 생산하는 것이 가능함을 보여준 연구다. 물이 특수 제작한 고체 표면과 접촉할 때 발생하는 표면전하의 변동을 새로 개발된 에너지 수확소자를 통해 회수함으로써 물 한 방울(40 μl)의 움직임으로 LED를 구동하는 데에 성공하였으며 (전압 ~3.2 V, 전류 5.3 μA), 별도의 에너지 저장 부품을 이용해 수확된 전력을 저장하는데 성공하였다. 우리 생활주변의 익숙한 다양한 물 흐름 현상을 통해서도 작지만 쉽게 에너지가 발생될 수 있음을 보여준 의미 있는 연구결과라고 생각하며, 대단위 전기에너지 발전에 대한 가능성을 가지고 있다.

Figure 1. 능동형 에너지 변환 소자 모식도 및 출력 전압, 전류

소자의 구동 동영상 링크 : http://www.youtube.com/watch?v=MsLpOoSzK74

2. 구동 원리

일반적으로 액체가 고체 표면과 접촉했을 때, 액체의 영역에 전기이중층이라 불리우는 두 개의 정렬된 이온 층이 형성된다. 물방울이 아래로 흘러내려감에 따라, 물방울이 소자와 만나서 생긴 전기이중층의 정렬에 변화가 생기고 그로 인해 물방울 내부에서 전위차가 생긴다. 적절하게 디자인된 본 소자는 이렇게 생긴 전기 에너지를 획득하기 위해 고안되었다.

Figure 2. 전기이중층 및 능동형 에너지 변환 소자의 단면 모식도

3. 연구 의의 및 사용처

기존의 열전소자, 압전소자, 마찰전기 소자의 경우엔 구조가 복잡하고 제조비용이 높은 점 외에도 열이나 외부의 인위적인 물리적인 힘을 이용했다는 점에서 안정성의 한계가 있다. 또한 태양광 발전의 경우, 날씨의 제약을 받고 비가 오는 날에는 전혀 발전을 할 수 없다는 단점이 있다.

이에 본 연구팀은 주변에서 흔히 접할 수 있는 물의 경우 대부분이 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르는 특성을 가지고 있고, 이를 이용하여 전기에너지를 생산할 수 있는 디바이스를 개발한다면 좀더 실용적인 연구가 될 것이라고 생각하였다. 이번에 개발한 에너지수확 소자는 비가 올 때 지붕 위에 설치하거나 버려지는 생활용수, 강물의 흐름 등에 적용하여 전기에너지를 생산할 수 있으며 터빈과 같은 기계적인 장치 없이 간단한 구조로 다양한 응용분야에 맞게 제작하는 것이 가능하다.

Figure 3. 빗물, 생활용수 등을 이용한 자가 발전 모식도

4. 앞으로의 연구계획

본 연구는 액체와 고체의 계면 사이에 일어나는 현상을 물리, 화학적 방법론을 이용하여 규명하는 작업이다. 첫째로, 계면 사이에 일어나는 분자 수준의 거동 현상은 아직 밝혀 지지 않은 부분이 많은데 이것을 규명하는 작업을 할 예정이다. 또한 에너지발전의 측면에서 대용량 발전을 위한 집적화, 최적화의 과정이 필요하다. 액체와 고체의 계면에서의 현상은 리튬 이온 배터리, 연료 전지 등 에너지 변환 & 저장 장치뿐 만 아니라 부식, 담수화, 생물 및 생화학 반응 등 다양한 응용 분야의 현상을 설명하는데 중요하고 적용이 가능하기에 이를 위해 노력할 것이다.

2014년 6월 30일 월요일

꿈의 에너지_빗방울로 전기를 생산하다. 김연상 교수팀(친환경전지기술연구센터장) 연구성과 소개

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