빗방울보다 적은 3마이크로리터(μL·1μL는 100만분의 1L)의 물로 최대 45시간 동안 전기를 만들 수 있는 초소형 '수분 발전기'가 나왔다.

9일 울산과학기술원(UNIST)은 에너지화학공학과 고현협 교수팀이 물속 양이온 농도 차를 유도해 장시간 직류 전기를 생산하는 초소형 박막 수분 발전기를 개발했다고 밝혔다.

일반적 수력 발전은 물이 높은 곳에서 낮은 곳으로 떨어질 때의 낙차로 터빈을 돌리는데, 연구팀이 개발한 초소형 발전기는 물속 양이온의 농도 차로 전압을 만들어 전기를 생산한다.

연구팀은 양이온 농도 차를 만들기 위해 발전기 박막 속에 한쪽으로 갈수록 폭이 좁아지는 물 통로가 만들어지도록 설계했다.

통로 벽은 물속에서 음전하를 띠는 맥신과 셀룰로스 나노섬유로 이뤄져 있는데, 통로가 좁아질수록 양이온이 통로 벽 인력에 영향을 받아 좁은 구역 양이온 농도가 넓은 구역보다 높아지는 원리다.

발전기 박막은 켜켜이 쌓인 맥신 나노시트 사이사이에 셀룰로스 나노섬유가 들어가 있다. 한쪽 끝은 물을 잘 빨아들이는 셀룰로스 나노섬유가 부풀어 오르고, 반대쪽 끝은 테이프로 눌러 부풀지 못하게 했다.

이에 따라 물을 넣으면 반대쪽으로 갈수록 폭이 좁아지는 물 통로가 만들어진다.

또 박막 내부 나노통로를 따라 물이 빠르게 퍼지는 모세관 현상이 일어나고, 켜켜이 쌓인 통로들에 순차적으로 물이 채워지면서 이온 이동 현상이 지속될 수 있다.

이 발전기 하나 크기는 가로 5㎜, 세로 7㎜로 손톱보다 작고, 실제 전기를 만드는 박막 두께는 15마이크로미터(㎛·1㎛는 100만분의 1ｍ)에 불과하다.

그런데도 3μL의 물만으로 20시간 이상 전압을 유지하고, 최대 약 45시간 동안 전압을 출력해 낼 수 있다.

이 발전기는 유연한 구조와 얇은 두께 덕분에 여러 층으로 쌓을 수 있는데, 실제 2개 층으로 쌓은 단위 소자 48개를 직렬로 연결해 디지털시계를 직접 구동할 수 있었다고 연구팀은 설명했다.

특히 수돗물, 바닷물, 땀 등을 가리지 않고 다양한 액체로 전력 생산이 가능했다.

고현협 교수는 "밀폐한 상태에서도 장시간 전압을 유지할 수 있는 데다 얇고 유연해 여러 층으로 쌓아 충분한 전력을 생산할 수 있다는 장점이 있다"며 "웨어러블 전자기기뿐만 아니라 소형 센서, 분산형 전자기기 등 다양한 자가발전 전원 기술로 확장할 수 있을 것"이라고 말했다.

연구 결과는 와일리(Wiley)에서 발행하는 재료 분야 국제 학술지 '어드밴스드 머티리얼스'(Advanced Materials)에 8월 12일 온라인으로 게재됐다.

연구는 한국연구재단 과학기술 분야 기초연구 사업, 국가과학기술연구회 창의형 융합연구 사업, 과학기술정보통신부·광주과학기술원(GIST) InnoCORE 프로그램의 지원을 받았다.