지붕으로 떨어지는 빗물로 전기를 만들어 배수 장치나 경보 시스템을 가동할 수 있게 하는 기술이 나왔다.
UNIST(울산과학기술원) 기계공학과 박영빈 교수팀은 빗방울로 전기를 만드는 탄소섬유 복합재 기반 물방울 발전기(액적 발전기, S-FRP-DEG)를 개발했다고 15일 밝혔다.
탄소섬유 복합재는 탄소섬유 다발을 플라스틱 수지에 섞은 소재로 가벼우면서도 강하다. 건물 지붕과 같은 외장재로 쓸 수 있는 소재다.
이번에 개발된 탄소섬유 복합재 발전기는 빗방울이 복합재 표면에 닿았다 빠르게 떨어지는 순간 전기를 만든다. 정전기와 흡사한 원리.
빗방울은 양전하를, 복합재 표면은 음전하를 띤다. 빗방울이 접촉했다 떨어지는 순간, 전하 입자가 탄소섬유를 타고 이동하면서 전기가 흐른다.
기존 금속 기반 물방울 발전기는 금속이 빗속의 오염물질에 의해 쉽게 부식되는 문제가 있었다.
연구팀은 부식에 강한 탄소섬유 복합재를 사용해 이를 해결했다. 또 복합재 표면을 특수 가공한 뒤 위에 코팅재를 입혀 발전기의 성능을 높였다.
빗방울의 순간적 접촉 면적은 넓히되, 빗방울이 빠르게 구슬처럼 변해 표면에서 굴러떨어지도록 만든 것이다.
미세한 요철이 가공된 표면은 빗방울의 접촉 면적을 넓힌다. 코팅재는 복합재 표면을 마치 연꽃잎처럼 만들어 빗방울이 튕겨 나간다.
코팅재는 도심 오염물이나 매연이 달라붙는 것도 막을 수 있다. 야외에 설치된 발전기가 성능을 오래도록 유지할 수 있다.
개발된 발전기는 약 92μL(마이크로리터) 크기의 빗방울 하나가 떨어질 때 최대 약 60V의 전압과 수 μA(마이크로암페어) 수준의 전류를 생산했다.
발전기 4개를 직렬로 연결했을 경우, LED 전구 144개를 순간적으로 점등했다.
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 것"이라고 했다.
그러면서 "향후 항공기나 자동차 등 탄소섬유 복합재가 들어가는 모빌리티의 자가 전원 기술로 쓸 수 있을 것으로 기대한다"고 덧붙였다.
연구는 소재 분야 국제 학술지인 '어드밴스드 펑셔널 머터리얼즈(Advanced Functional Materials)'에 11월 20일 온라인 공개됐다.