층상구조를 이루는 맥신의 빠른 모세관 현상과 증산작용에 의해 유발되는 물의 흐름을 활용하여 전기에너지로 변환하는 발전기, 바닷물로 상용 배터리 충전 가능. KAIST 제공면 섬유에 물을 떨어트리면 젖은 부분과 마른 부분으로 나눠지게 되면서 소량의 전기가 발생한다. 이 원리를 활용해 친환경 전기에너지를 생산하고 배터리를 충전하는 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다.
KAIST 신소재공학과 김일두 교수 연구팀은 2020년 진행한 연구에서, 전도성 탄소 나노 입자가 코팅된 면(cotton)섬유의 한쪽 표면에 소량의 물을 떨어뜨리면 젖은 영역과 마른 영역으로 나뉘게 되면서 작은 양의 전기에너지가 발생하는 것을 발견했다. 연구팀은 이 전력으로 LED 전구의 불을 켜는 데 성공했다. 그러나, 실생활에 적용되기에는 에너지 생산량이 너무 작았다.
그래서 에너지 생산량을 높일 방법을 고민하던 중 친수성 표면을 가지면서 빠른 모세관 현상을 유발할 수 있는 2차원의 전도성 물질을 찾았다. 연구팀이 선택한 물질은 맥신(Mxene)이다. 맥신은 2차원 물질 중에서도 전도도가 금속에 가까운 탄화물이다. 맥신(Ti3C2Tx)를 면섬유에 코팅해 발전기를 만들었더니 탄소 나노입자가 적용된 발전기 보다 약 24배 높은 에너지 효율을 얻을 수 있었다.
모세관현상은 액체가 중력과 같은 외부 도움 없이 좁은 관을 오르는 현상인데, 액체의 표면 장력과 액체-고체 사이의 흡착력이 작용한다.
한 걸음 더 나아가 맥신을 전도성 고분자(Polyaniline)와 추가적으로 복합화했을 때, 에너지 효율은 탄소 나노입자 대비 100배 더 높았다. 발전기의 크기도 맥신이 훨씬 작다. 탄소입자 보다 7.7배 작은 크기에서 30.9mW/cm3라는 세계 최고 수준의 전력 밀도를 확인했다.
연구팀은 기전력을 더 높이기 위해 맥신 자가발전기 16개를 병렬로, 10개를 직렬로 총 160개를 연결했다. 이를 통해 리튬폴리머 배터리(30 mAh, 3.7 V)를 14% 충전하는 데 20분 걸렸다. 이런 방식으로 배터리를 충전한 건 세계 최초였다.
김일두 교수는 "어디서든 쉽게 구할 수 있는 물이나 땀, 또는 대기 중 수분을 에너지원으로 활용할 수 있는 에너지 하베스팅 기술로, 지속적인 발전이 가능한 장점이 있고, 비상 전력 생산이나 자가 발전기 크기 증대를 통해, 대용량 이차전지를 충전하는 비상 전원 용도 등으로 활용할 수 있다ˮ라고 말했다. 다양한 사물인터넷이나 웨어러블 기기에 활용할 수 있다.
이번 연구는 KAIST 신소재공학과 배재형 박사와 김민수 박사과정이 공동 제1 저자, 한국과학기술연구원 구종민 박사와 서봉임 박사, 허가현 박사, 오태곤 박사, 이승준 석사과정, 및 드렉셀 대학의 유리 고고치(Yury Gogotsi) 교수가 공동 저자로 참여했다. 논문은 환경 분야의 권위지 에너지 및 환경과학 2021년 11월 호 온라인에 게재됐다. 연구팀은 한국, 미국, PCT 특허출원을 통해 원천기술을 확보했다고 밝혔다.