장치는 반도체 ITO(Indium Tin Oxide) 층으로 구성되며, 여기에는 PTFE (Polymer Polytetrafluoroethylene) 가 도포돼 테프론Teflon으로 잘 알려져 있다.

홍콩 시립대학교 "떨어지는 물방울호 전기생산"

연구원들이 떨어지는 물방울에서 전기를 생산하는 시스템을 설계했다.
한 방울 떨어지는 것으로 100개의 작은 LED를 밝힐 수 있다. 이것은 테플론, 반도체 인듐 주석 산화물 및 알루미늄 전극의 조합으로 가능하다. 물방울이 이 앙상블을 만나면 전류가 생성된다. 이 연구는 전기를 생산하는 완전히 새로운 방법을 열어준다고 연구원들은 "Nature"저널에 보고했다.

▲ 다이어그램과 방울 발생기의 구조. © City University of Hong Kong/ Nature

전기 에너지는 댐, 하천 발전소 또는 조력 발전소 설비에 의해 입증된 바와 같이 물에서 얻을 수 있다. 물은 또한 에너지를 저장하는 데 사용될 수 있다. 그러나 이러한 시스템은 모두 효율적으로 작동하기 위해 더 많은 양의 물이 필요하다. 이것은 마찰 전기 효과에 기초한 테스트 시스템과는 다르다. 이들이 작동하는 것은 특정 물질이 물과 접촉해 정전기를 유발하여 매우 적은 양이지만 전기를 발생시킨다.

테프론, 반도체 및 알루미늄 몇 조각

그러나 다른 방법이 있다.
홍콩 시립대학의 주안카이 왕(Zuankai Wang)이 이끄는 연구원들은 이제 개별적인 물방울에서 전기를 생성하는 발전기를 개발했다. 물방울과 특정 물질의 상호 작용에 대한 방울 발생기다.

이 장치는 반도체 ITO(Indium Tin Oxide) 층으로 구성되며, 여기에는 PTFE (Polymer Polytetrafluoroethylene) 가 도포돼 테프론Teflon으로 잘 알려져 있다. 이 전기 절연 재료는 소위 *일렉트렛(Elektret)이며, 전하를 저장하거나 예를 들어 마찰을 통해 축적될 수 있다. 작은 알루미늄 조각이 두 층을 연결하고 전극 역할을 한다.
* 일렉트렛 : 외부 전기장을 제거해도 음양(－, ＋)의 대전(帶電)이 잔존하고 있는 물질을 말
하며 자석(마그넷)에 대응하고 있다는 의미에서 이 이름이 붙여졌다.

축적되는 전하

이 앙상블에 물방울이 떨어지면 발수성 테프론 표면에 퍼져 전기 화학적 상호 작용을 통해 전하가 생성된다. 이전의 낙하 발생기와 달리 이 전기 에너지는 매 낙하 후에 다시 손실되지 않고 축적된다. 왕(Wang)과 그의 연구팀은 “표면에 물이 닿으면 점점 더 많은 양의 물이 떨어지면서 전하가 증가한다. 약 1만6000 방울 떨어뜨린 후, 표면 전하는 약 50나노 쿨롱의 안정적인 값에 도달한다.”고 보고했다.

이제 두 번째 과정이 시작된다. 표면에 물이 퍼지면 알루미늄 전극과 ITO 및 테프론 층 사이에 다리가 형성된다. 이것은 전하가 흐를 수 있는 전기 회로를 만든다. 연구원들이 설명하듯이 시스템의 기능은 전계 효과 트랜지스터의 기능과 유사하다. 논문에 따르면 방울 발생기는 50W/㎡(평방미터당 와트)의 에너지 밀도를 달성한다.

하나의 드롭(drop)으로 100개의 LED 점등

왕(Wang)은 초기 테스트에서 이 드롭 발생기의 프로토타입이 기존 시스템보다 이미 1000배 더 많은 에너지를 생성했다고 밝혔다. 그의 팀은 "이 전기 에너지는 수백 개의 작은 LED를 점등시키기에 충분하다."고 보고한다.

연구원에 따르면, 물방울 생성기는 수돗물뿐만 아니라 해수 및 빗방울에도 사용할 수 있다. 그들은 빗물을 먼저 수집한 다음 모세관에 의해 정기적으로 떨어지는 작은 물방울로 나누기 위해 빗속에서 사용하도록 디자인을 조정했다. 해수도 비슷한 방식으로 투여 할 수 있다. Wang과 그의 동료들은 “모세관의 직경과 낙하 높이를 조절함으로써 낙하의 크기와 속도 및 생성되는 에너지의 양을 조절할 수 있다”고 설명했다.

재생 가능하고 분산된 에너지

과학자들에 따르면 이 기술은 물 에너지를 사용할 수 있는 새로운 가능성을 열어준다.
"낙하하는 물의 운동 에너지는 중력에서 비롯되므로 자유롭게 이용가능하고 재생 가능한 것으로 볼 수 있다"라고 Wang은 말한다. “따라서 더 잘 사용해야 한다. 석유나 원자력 대신에 물방울에서 나오는 전기는 세계의 지속 가능한 발전을 이끌 수 있다."

드롭 발생기는 분산형 전력 생성에 특히 적합하다. 비가 내리거나 물이 있는 곳에서는 페리 선체나 우산 표면에서도 전기 에너지를 생성하는 데 사용할 수 있다.

(Nature, 2020; doi: 10.1038/s41586-020-1985-6)
출처: City University of Hong Kong

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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