물만 있으면 영구 작동하는 장치로 발전하는 시스템

물을 채운 컵에 두면 내부 액체 움직임으로 영구적으로 머리를 흔드는 장난감인 물마시는 새(drinking bird)가 있다. 중국 화남이공대 연구팀이 이 물마시는 새를 이용해 소형 전자기기에 전력을 공급하는 발전 시스템을 개발했다고 발표했다.

물마시는 새는 유리구 2개를 관 1개로 연결한 구조를 취한 장식품이다. 유리구 내부에는 착색된 이염화메탄 액체가 들어있고 공기가 빠져있어 공동 부분에는 기화된 이염화메탄 증기가 차 있으며 유리관에는 회전축과 발 2개가 달려 있다.

물마시는 새가 영구적으로 머리를 움직이는 원리를 살펴보면 먼저 머리보다 액체 이염화메탄이 고인 몸체가 무거워 물마시는 새는 수직으로 서 있다. 머리에 달린 천 부리를 물에 적시면 물이 증발해 기화열을 빼앗는다. 머리 온도가 내려가 머리 내부 이염화메탄 증기가 응축된다. 머리 내부기압이 낮아져 몸체에 있는 액체 이염화메탄이 머리로 흡인된다.

이염화메탄 액체가 머리로 흡인되어 머리가 무거워지면서 물마시는 새가 앞으로 기울어진다.이어 물마시는 새가 앞으로 기울어지면서 부리가 물 표면에 닿는다. 몸체 내 유리관 끝이 액체 표면에서 나오면 몸체의 이염화메탄 기체가 머리로 흘러들어간다. 동시에 머리로 흡인된 이염화메탄 액체가 다시 몸체로 흘러내려 몸체가 무거워진다. 물마시는 새가 수직으로 돌아옵니다. 이후 맨 처음부터 다시 반복된다.

연구팀은 물마시는 새를 통해 물 증발을 전기로 변환할 수 있지 않을까 생각해 마찰대전을 이용한 발전 시스템인 DB-THG를 고안했다. 시중에서 판매되는 물마시는 새를 사이에 두고 원반 2장이 설치되어 있고 이 원반에는 마찰대전을 일으키는 소재가 부착되어 있다. 화면 왼쪽에는 액정 패널 20장이 놓여 있다. 물마시는 새가 물을 마신다. 이염화메탄 액체가 몸체로 흘러내리면서 머리가 들리자 전하가 이동해 액정 패널 전체가 표시된다.

연구팀에 따르면 실내온도 24도, 상대습도 20±5%에서 실험했을 때 DB-THG는 물 100ml로 50시간이나 작동했으며 최대 전압도 100V를 기록했다고 한다. 액정 패널뿐 아니라 온도계, 계산기 등 소형 전자기기도 DB-THG로 작동시키는 데 성공했다고 보고하고 있다.

연구팀은 앞으로 시중에서 판매되는 물마시는 새가 아닌 물 증발을 전기에너지로 더 효율적으로 변환할 수 있는 새로운 물마시는 새 설계를 과제로 삼고 있다. 관련 내용은 이곳에서 확인할 수 있다.