아주대 윤태광 교수팀, 일교차로 수분 모아 전기 만드는 에너지 수집 기술 개발 … 사막 등 오지서도 전기 자립 생산 주목

공기 중 수분으로 전기를 생성하는 연구가 다각도로 이뤄지는 가운데 아주대학교는 응용화학생명공학과 윤태광 교수가 낮과 밤의 일교차를 활용해 공기 중 수분을 모으고 이를 전기에너지로 바꾸는 기술을 개발했다고 7일 밝혔다.

이번 연구는 한국생산기술연구원(생기원) 윤기로 교수 연구팀과 공동으로 진행했다. 오지나 물이 부족한 사막 등 극한 환경에서 외부 물 공급 없이 스스로 전력을 생산할 수 있는 에너지 하베스팅(수집) 시스템으로 주목받고 있다.

기존 물 기반의 에너지 하베스팅 기술은 '젖은 면과 마른 면의 전위차'를 활용해 전기를 생산했다. 하지만 항상 외부에서 물을 공급해 줘야 하는 한계가 있었다.

공동 연구팀은 이를 극복하기 위해 식물의 증산작용과 모세관 현상에서 착안해 두 종류의 금속-유기 구조체(MOF)인 UiO-66-NH₂와 Ni₃(HITP)₂를 결합했다. 이를 통해 대기 중 수분을 스스로 모아 전기를 발생하는 완전 자율형 시스템을 구현했다.

UiO-66-NH₂는 밤의 차가운 공기에서 수분을 흡수하고 낮의 더운 공기에서 흡수한 수분을 방출한다. 방출된 수분은 Ni₃(HITP)₂가 성장된 섬유 표면에 응축되고 이때 섬유의 비대칭적인 젖음으로 인해 전위차가 발생하며 전기가 흐르게 된다. 연구팀은 이 과정에서 최대 전력밀도 2.6㎼/㎤, 에너지 밀도 1.1mJ/㎤를 달성했다.

특히 UiO-66-NH₂는 저습 환경에서도 뛰어난 수분 흡·탈착 성능을 보였다. 연구팀은 사막, 해안, 내륙 등 실제 기후 환경을 모사한 실험을 통해 각 환경에서 자가 수분 생성과 전기에너지 생산 기능이 안정적으로 작동함을 입증했다.

윤태광 교수는 "이번 연구는 외부 전력이나 물 공급 없이도 작동 가능한 자립형 에너지 하베스팅 시스템의 실현 가능성을 보여준다"며 "앞으로 재난 현장이나 에너지 접근성이 낮은 지역에서 새로운 대안이 될 수 있을 것"이라고 말했다.

윤기로 박사는 "이번 시스템은 극한 기후나 인프라가 부족한 지역에서도 손쉽게 전기를 얻을 수 있는 기술적 기반을 마련했다"며 "탄소중립 사회를 향한 지속 가능한 에너지 기술의 실질적 기여로 이어지길 바란다"고 했다.

이번 연구 성과는 저명한 국제 학술지 '복합재 파트 B: 엔지니어링(Composites Part B: Engineering)'에 실렸다.

이번 연구는 한국연구재단의 해외우수연구기관 협력허브 구축사업의 지원을 받아 이뤄졌다.