포스텍, 공기로 전력 생산 신기술 개발… 블루투스.폰 작동 가능

기존 장치보다 100배 이상 성능 보여

연쇄적 이온-레독스 증폭 메커니즘 기반 수분 구동 발전기의 전기생산 메커니즘 모식도.

우리가 매일 마시는 공기 중에는 수분을 포함한 무수한 성분이 들어있다. 그렇다면 공기 중에 들어있는 수분으로 전기를 만들 수 있을까?

포스텍 연구팀이 공기 중 습기만으로도 전기를 만드는 신기술을 개발했다. 블루투스 이어폰을 실제로 작동시킬 정도로 강력한 전력이다.

포스텍 화학공학과 전상민 교수, 통합과정 송민재 씨 연구팀이 공기 중 습기만으로 전기를 만드는 '수분 발전기(MPG)' 출력과 구동시간을 동시에 크게 향상하는 '연쇄적 이온·레독스 증폭 메커니즘'을 제안하고 이를 구현한 소자를 개발했다.

이는 지금까지 이온 이동 기반 장치와 비교했을 때 100배 이상의 성능이다. 연구는 국제 학술지인 '나노 에너지(Nano Energy)' 온라인판에 게재됐다.

지금까지 개발된 기술로도 습기로 전기를 만들 수 있었지만 휴대폰 충전기에 비하면 성냥불 정도였다. 두 가지 한계 때문이었다. 수분이 흡착되며 이온이 확산될수록 전하를 운반할 수 있는 이온은 줄고 축적된 이온들이 추가 확산을 가로막아 성능은 급격히 떨어졌다.

연구팀이 개발한 '연쇄적 이온·레독스 증폭 메커니즘'은 공기 중 수분을 흡수했을 때 발생하는 이온 이동과 산화·환원 반응을 연쇄적으로 이어가며 전류를 더욱 강하게, 오래 유지하는 방식이다.

이를 구현하기 위해 연구팀은 음전하 고분자인 폴리스티렌술폰산(이하 PSSA)과 양전하 고분자인 폴리다이알릴다이메틸암모늄 클로라이드(이하 PDDA)를 쌓고 카본 전극에 전도성 고분자인 폴리아닐린(이하 PANI)과 폴리피롤(이하 PPy)를 결합한 새로운 장치를 제작했다.

이 장치는 공기 중에 있는 수분을 흡수하면 단계적으로 반응이 이어지는 연쇄적 이온·레독스 증폭 메커니즘이 작동한다. 쉽게 말해 도미노 효과처럼 연쇄반응을 일으켜 전력을 계속 만드는 기술이다.

PSSA와 PDDA에서 방출된 이온이 반대쪽으로 이동해 전위차를 만들고 이어서 PANI와 PPy에서 일어나는 산화·환원 반응이 이동해 온 이온을 제거해 전기적 척력을 줄이면서 반대 전극으로 이동할 추가적인 이온을 생성한다. 이를 통해 전류가 강하게, 그리고 오래 유지된다.

여기서 끝이 아니다. 연구팀은 알루미늄 그물(메쉬 전극)을 추가했다. 알루미늄이 녹으면서 나오는 이온이 보조 전하 운반체 역할을 하여 추가 전력을 만든다. 그 결과, 최대 단락 전류 밀도 15.3 mA/cm², 출력 밀도 1.33 mW/cm²(상대습도 75%)를 달성했다. 기존 장치보다 약 100배 향상된 성능이다.

연구팀은 개발한 소자를 8개 직렬로 연결해 외부 전원이나 추가 장치 없이도 9mW의 전력으로 블루투스 저에너지(BLE) 무선 센서를 구동하는 데 성공했다.

이 기술은 태양광이나 풍력발전 등과 달리 날씨와 관계없이 공기만 있다면 전기를 생산할 수 있어 스마트팜·웨어러블·사물인터넷(IoT) 센서 등 다양한 분야에 적용될 수 있을 것으로 기대된다.

전상민 교수는 "공기 중 수분은 어디에나 존재하는 무한한 자원"이라며 "연구는 친환경 자가발전 기술의 실사용과 상용화에 한 걸음 더 다가선 성과"라고 말했다.


포항=김규동 기자 korea808080@