빗방울에서 효율적으로 전기를 생산하는 기술이 한 걸음 더 발전했다. 홍콩 시립대(CityU) 과학자들이 이끄는 연구팀은 최근 에너지 변환 효율이 아주 높은 물방울 기반 전기발전기(DEG)를 개발했다.
이 발전기는 전계효과트랜지스터(FET)와 유사한 장치를 가지고 있어서, FET가 없는 유사한 장치에 비해서는 전력 밀도가 수천 배까지 증가할 수 있다고 발표했다.
연구팀은 네이처(Nature) 저널에 발표한 논문에서 이번 결과가 수력발전에 대한 과학적 연구를 진전시키고 에너지 위기를 타개하는 데 도움이 될 것으로 전망했다.
작은 물방울로 전기를 생산한다. ⓒ 픽사베이
이 연구는 홍콩 시립대 기계공학과의 왕주안카이 (Wang Zuankai)교수, 미국 네브라스카-링컨 대학(University of Nebraska-Lincoln)의 쩡샤오청(Zeng Xiao Cheng)교수, 베이징 나노에너지 및 중국과학원 나노시스템 연구소의 설립자 겸 최고과학자 왕중린 (Wang Zhong Lin)교수 등이 참여했다.
약 70%의 지표가 물로 덮여 있으며 물이 높은 곳에서 낮은 곳으로 떨어지는 힘을 이용한 수력발전은 새로운 것이 아니다. 그러나 파도와 조수, 빗방울이 가지고 있는 운동 에너지는 현재 기술적 한계에 막혀 효율적으로 전기 에너지로 전환되지 못하고 있다.
삼전 효과에 기반한 기존의 물방울 에너지 발전기는 물방울이 표면에 부딪힐 때 접촉 전기와 정전 유도에 의해 유도되는 전기를 발생시킬 수 있다. 그러나 표면에서 발생하는 전하량은 계면 효과에 의해 제한되므로 에너지 변환 효율은 상당히 낮다.
변환 효율을 높이기 위해 연구팀은 DEG 개발에 2년을 투자했다. 새 장치는 최대 50.1W/㎡의 순간 전력 밀도를 달성할 수 있는데 이는 FET와 유사한 기기를 사용하지 않은 유사한 기술에 비해서는 수천 배 높은 것이다. 게다가 에너지 변환 효율은 눈에 띄게 높다.
전계효과 트랜지스터 유사 구조 고안
이 발명에는 두 가지 중요한 요인이 추가됐다. 연구팀은 준영구 전하를 가진 전기자재인 PTFE에 지속적으로 떨어지는 물방울이 고밀도 표면전하의 축적과 저장을 위한 새로운 경로를 제공한다는 사실을 발견했다.
그들은 물방울이 PTFE의 표면에 지속적으로 부딪힐 때, 생성된 표면 전하가 축적되어 점차 포화상태에 이르는 것을 발견했다. 이 발견은 이전 작업에서 직면했던 낮은 전하 밀도의 병목 현상을 극복하는 데 도움이 되었다.
DEG 장치의 구조(a)와 4개의 DEG장치에 물방울을 떨어뜨려 전기를 생산하는 모습(b). ⓒ홍콩시립대
연구팀의 성공 요인은 1956년 노벨 물리학상 수상을 낳게 한 FET와 비슷한 구조를 고안한 점이다. FET는 그 후 현대 전자기기의 기본 구성 요소가 될 만큼 널리 사용되고 있다.
새로 고안한 장치는 알루미늄 전극과 PTFE 막이 침전된 인듐 주석 산화물(ITO) 전극으로 구성된다. PTFE/ITO 전극은 전하 생성, 저장 및 유도를 담당한다. 떨어지는 물방울이 PTFE/ITO 표면에 부딪혀 퍼지면, 자연스럽게 알루미늄 전극과 PTFE/ITO 전극이 이어지면서 원래의 시스템을 폐쇄 루프 전기 회로로 변환한다.
이 특별한 설계로, 물방울이 연속적으로 떨어지면서 발생하는 높은 밀도의 표면전하가 PTFE에 축적될 수 있다. 이와 함께 퍼지는 물이 두 전극을 연결하면, PTFE에 저장된 모든 전하가 전류의 생성을 위해 완전히 방출될 수 있다. 그 결과, 순간적인 전력 밀도와 에너지 변환 효율 모두 훨씬 더 높다.
지속가능한 청정 에너지 개발에 기여
왕 교수는 “15cm 높이에서 떨어지는 100마이크로리터(100만 분의 100 리터)의 물 한 방울이 140V 이상의 전압을 발생시킬 수 있다는 실험 결과가 나왔다. 이는 100개의 작은 LED 전구를 밝힐 수 있는 전력”이라고 말했다.
왕 주앙카이 교수(앉은이)와 연구팀원 ⓒ 홍콩시립대
그는 순간적인 전력 밀도의 증가는 추가적으로 에너지를 투입해서 나오는 것이 아니라 물 자체 운동에너지의 변환에서 비롯된다고 덧붙였다. 낙수로 얻는 운동 에너지는 중력 때문에 발생하므로 재생 가능한 무료 에너지로 간주된다.
이번 연구는 또한 상대 습도의 감소는 발전 효율에 영향을 미치지 않는다는 것을 보여줬으며, 빗물과 바닷물은 모두 전기를 발생시키는 데 사용될 수 있다.
연구팀은 이번 연구 결과가 재생 에너지 부족이라는 세계적인 문제에 대응하기 위한 수자원 활용에 도움이 되기를 바란다. 연구팀은 장기적으로는 액체가 고체와 접촉하는 다른 표면에도 새 장치를 설치할 수 있기 때문에, 물속의 저주파 운동 에너지도 충분히 활용할 수 있다고 전망했다.
(6165)
로그인후 이용 가능합니다.
잉여 영양분을 세포 안에 축적해 살이 찌게 하는 '백색 지방세포'를 영양분을 태워 없애는 '갈색 지방세포'로 바꾸는 방법을 국내 연구진이 찾아냈다. 울산과학기술원(UNIST)은 생명과학과 고명곤 교수팀이 전북대 안정은 교수팀과 공동으로 TET(Ten-eleven translocation) 단백질을 억제하면 백색 지방세포가 갈색 지방세포화 되고, 기존 갈색 지방세포는 더 활성화돼 열량 소비를 촉진한다는 사실을 발견했다고 26일 밝혔다.
'유유상종'(類類相從)이라는 말처럼 몸에서 나는 냄새가 비슷한 사람끼리 서로 알아보고 친구가 될 가능성이 높다는 과학 연구 결과가 나왔다. 또 친구를 맺은 사람들이 낯선 사람들보다 체취가 비슷할 가능성이 높으며, 냄새 판별 기기인 전자코(eNose)를 통해 체취를 확인하면 서로 낯선 두 사람이 친구가 될 수 있는지도 예측할 수 있는 것으로 나타났다. 흔히 '케미가 맞는다'라는 말을 많이 해왔는데 실제로 후각 차원에서 화학(chemistry)이 작용하는 셈이다.
기후변화로 대기 중 오존 농도가 짙어지고 있으며 앞으로도 그럴 것이라는 보고서가 나왔다. 국립환경과학원은 기후변화와 오존을 주제로 한 현안 보고서를 27일 홈페이지(www.nier.go.kr)에 공개한다. 보고서는 그간 나온 국내외 논문·통계자료·기사 등을 종합 것이다. 보고서에 따르면 우리나라 연평균 오존 농도는 1989년 0.011ppm에서 2020년 0.03ppm으로 상승했다.
한국천문연구원은 우주물체 전자광학 감시 시스템(OWL Net)으로 누리호 탑재 위성들을 포착했다고 24일 밝혔다. 누리호가 성능검증 위성과 더미 위성을 궤도에 무사히 올려놓은 것을 확인한 것이다. 천문연은 누리호 발사 당일인 지난 21일 오후 8시 20분부터 모로코에 있는 OWL Net 2호기로 추적을 시작해 22일 낮 12시 52분 3초와 오후 1시 3분 26초 사이에 발사체 3단과 더미 위성을 관측했다.
노화는 인간을 비롯해 모든 동물의 피할 수 없는 운명처럼 받아들여지고 있지만 '장수'의 상징이 돼온 일부 거북 종은 놀라울 정도로 적은 노화 현상만 보이는 것으로 나타났다. 과학 저널 '사이언스'(Science)는 최신호에서 이런 증거를 제시한 두 편의 논문을 나란히 다뤘다. 미국과학진흥협회(AAAS) 등에 따르면 펜실베이니아주립대학 생태학 부교수 데이비드 밀러 박사 등이 참여한 국제 연구팀은 거북은 물론 양서류와 뱀, 악어 등을 포함한 사지 냉혈동물 77종의 노화와 수명을 비교했다.
유방암은 흔한 암 유형 가운데 하나다. 세계보건기구(WHO)에 따르면 매년 전 세계에서 유방암 진단을 받는 사람이 약 230만 명에 달한다. 유방암도 초기에 찾아내면 대체로 치료 효과를 볼 수 있다. 하지만 이미 다른 부위로 전이된 상태에서 발견되면 훨씬 더 치료하기 어렵다. 암의 전이는, 원발 암에서 떨어져 나온 '순환 종양 세포' 클러스터(CTCs)가 혈류를 타고 다른 기관으로 이동해 새로운 종양을 형성하는 것이다.
화성 탐사 후발주자인 중국이 미국보다 2년 앞서 화성 암석시료를 지구로 가져올 것이라고 중국 우주탐사 관계자가 밝혔다. UPI 통신과 우주 전문 매체 '스페이스뉴스' 등에 따르면 중국의 화성탐사 미션 '톈원(天問)1'을 설계한 쑨쯔어저우 연구원은 지난 20일 난징대학 개교 120주년 세미나에 참석해 우주선 두 대를 활용해 화성 암석 시료를 지구로 가져오는 '톈원3호' 계획을 공개했다.