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물 한방울로 100개 LED등을 밝힐 수 있는가?

<KISTI의 과학향기> 제3528호

한 방울의 물로 전기에너지를 얼마나 축척하여 발전할 수 있는가? 상식적으로 많은 양의 물로 지금까지 전기 에너지를 만들었다. 그런데 홍콩시립대학(City University of Hong Kong)의 과학자들이 주도하는 이 프로젝트는 단 한방울의 빗방울로 LED 전구 100개를 밝힐 수 있는 새로운 형태의 물방울 기반 발전기(DEG, droplet-based electricity generator)를 고안하였다. 이를 Nature (https://www.nature.com/articles/s41586-020-1985-6)에 'A droplet-based electricity generator with high instantaneous power density"이란 제목으로 게재하였다,
 
물 방울형 전기발전기는 전계효과 트랜지스터(FET, field-effect transistor)와 비슷한 구조로 에너지 변환 효율이 매우 높고, 구조가 다른 발전기에 비해 전력 밀도가 수천 배 높다.
 
"우리 연구는 15cm 높이에서 방출되는 100 마이크로리터의 물 한 방울이 140V 이상의 전압을 발생시킬 수 있고, 발생되는 전력은 100개의 작은 LED 조명을 밝힐 수 있다는 것을 보여준다."라고 홍콩대학의 왕주안카이 교수는 말했다.
 
전통적인 액적 발전기는 액적이 표면을 충격할 때 생기는 마찰과 정전감응을 통해 전력을 생성하지만, 표면 마찰 전하수의 양적인 제한으로 전기에너지 변환 효율이 비교적 낮다. 연구팀은 이러한 두 가지 핵심적인 발견을 통해 상술한 문제점을 극복하였다.
 
1, 유사장 효과 트랜지스터(FET)의 독특한 구조를 개발하였다. 해당 구조는 하나의 알루미늄 전극과 하나의 표면에 PTFE 막박층을 증착한 ITO(Indium Tin Oxide) 전극으로 구성된다. 물방울이 PTFE/ITO를 충격하고 표면에서 튀어 주변으로 산개할 경우, 전도성을 가진 물은 알류미늄 전극과 PTFE/ITO 전극 사이의 통로를 “연결”시켜 통전할 수 있는 완전한 회로를 형성한다.
2. 물방울이 장기적으로 전하를 띤 일렉트렛 재료 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)을 지속적으로 충격할 경우, 생성되는 표면 정전하는 포화 수준까지 지속적으로 누적된다.
 
이러한 해당 설계에 기반하여 연속적인 물방울은 PTFE상에 고밀도 표면 정전하를 축적시킨다. 아울러, 물방울이 두 전극을 연결할 때마다 PTFE에 축적된 모든 전하는 전부 방출되어 전류를 생성한다. 따라서, 순간 출력 밀도와 전기에너지 변환 효율은 모두 대폭 상승한다.
 
연구원들은 또한 이 기술이 낮은 상대 습도의 영향을 받지 않고 빗물과 바닷물과 함께 작용한다는 것을 발견했다. 연구팀에 따르면 이 프로젝트의 잠재력은 매우 특이하다. 실제로 이 기술은 1평방미터당 최대 50메가와트까지 생산할 수 있을 것으로 예상된다. 비슷한 다른 기기보다 수천 배나 높고, 에너지 변환 효율도 상당히 높다.(첨부한 원문의 그림 : 새로운 장치가 어둠으로부터 전기를 생성)
 
왕 교수는 이런 고안기기를 통하여 거의 영구적인 전하를 갖는 물질인 폴리테트라플루오로에틸렌(또는 PTFE)에 영향을 주는 연속 방울은 고밀도 표면 전하의 축적과 저장을 위한 새로운 경로를 제공한다. 물방울이 PTFE 표면에 연속적으로 접촉하면 생성된 표면전하가 쌓이고 점차 포화상태에 이른다. 이런 과정은 이전의 발전기들의 갖는 문제를 극복하는 데 도움이 되었다.
동시에 이런 기초연구를 바탕으로 액체를 고체와 접촉시키는 다른 표면에 새로운 디자인을 적용하고 설치(예, 선박의 선체표면, 해안선, 심지어 우산 표면과 같은 다양한 액체와 고체 접촉 표면, 창문의 유리, 심지어 물병)하면 물 속의 저주파 운동 에너지를 일으키고 충분히 활용할 수 있을 것이다. 그는 이 연구 결과가 재생 에너지 부족이라는 문제를 해결하길 바라고 있다.

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기대되는 과학기술의 연구입니다.

2020-04-01

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