물 한방울 발전으로 LED 100개 점등한다?

홍콩 성시대 연구팀이 물 한방울로 LED 100개를 점등할 수 있는 연구 결과를 발표했다.

지구 표면 중 70%를 덮고 있는 물은 지속적 환경을 만들기 위한 재생 가능 에너지 자원으로 주목받고 있다. 하지만 수력 발전만 예로 들어도 반드시 효율적으로 전력을 변환한다고 하기 어렵다. 아직 기술적 제약이 가로 막는 부분이 많은 것.

그런데 이런 방법 중 하나인 액적 기반 그러니까 물방울 낙하에 의한 발전기로 기존 방법보다 수천 배에 이르는 높은 전력을 만드는 데 성공했다는 것이다. 홍콩 성시대학 연구팀이 개발한 액적 기반 발전기 DEG(droplet-based electricity generator)는 기본적으로 물방울이 개체에 부딪쳤을 때의 접촉 정전기와 정전기 유도 그러니까 다른 물질이 접촉했을 때 전하 이동을 이용한 것이다. 하지만 표면에 생성되는 전하 양계면 효과에 의해 제한된 결과 에너지 변환 효율은 미미하다.

연구팀은 이런 변환 효율을 개선하기 위해 새로운 방식 DEG 개발에 2년을 보냈다. 전기장효과트랜지스터 FET(field effect transistor)와 같은 구조를 갖는다. FET는 회로에 흐르는 전류를 제어하는 트랜지스터로 집적회로 등을 구성하는 소자로도 많이 이용된다. 새로운 DEG는 알루미늄 전극과 PTFE(폴리테트라 플루오로에틸렌) 막을 씌운 산화인듐주석 ITO 전극으로 구성된다. 먼저 떨어지는 물방울이 PTFE/IIO 전극에 닿으면 전하가 발생하고 이게 알루미늄 전극에 맞고 확산을 통해 중개하고 회로가 연결되면서 전하가 완전히 방출되는 구조다. 다시 말해 물방울이 속속 떨어질 때마다 축적된 전하가 낭비 없이 회수된다는 얘기다.

연구팀에 따르면 효율은 15cm 높이에서 100마이크로리터가 떨어지는 것으로 140V 이상 전압을 생성할 수 있어 순간적으로 작은 LED 전구 100개를 점등할 수 있다는 것. 또 떨어지는 물 운동에너지는 중력에 의한 것으로 완전히 재생 가능 에너지라고 언급하고 있다.

연구에선 상대습도 저하가 발전 효율에 영향을 주지 않고 빗물과 해수를 모두 사용해 발전할 수 있다고 되어 있다. 다시 말해 계속 내리는 빗물이나 해상을 항해하는 선박 표면에서도 응용할 수 있는 가능성이 제시됐다고 할 수 있다.

물론 이 기술이 실용화 수준에 이르려면 아직 넘어야 할 과제가 많다. 이번에 실증한 건 어디까지나 단시간 발전용이며 장기간 지속 발전하려면 추가 연구와 개발이 필요하다. 관련 내용은 이곳에서 확인할 수 있다.