댐건설 없는 친환경 수력발전 시대 열린다.
물방울 하나로 LED 점등 가능
발전원리 규명으로 효율최적화, 집적화 가능해져
무인잠수정 동력원으로도 응용가능
천홍구 교수팀 연구결과, Advanced Functional Materials 게재
▲ 왼쪽부터 바이오의공학부 김기정 석박사통합과정생, 김원준 석사, 천홍구 교수
2050년까지 탄소중립을 실현하기 위하여 풍력, 태양광, 수력발전 등 청정에너지 사용 비율을 높여야 한다. 그 중 수력발전은 대형 터빈의 회전을 위하여 높은 낙차의 물을 필요로하기 때문에 댐건설과 그에 따른 넓은 면적 수몰 등 환경파괴의 단점이 있다. 최근 소수성 표면에서 미끌어지는 물방울이 소수성 표면 밑에 위치한 전극을 통해 전력을 생성시키는 현상이 보고됐는데, 이 표면수력발전의 효율과 집적도를 높이면 흐르는 강물을 따라 연속적인 발전이 가능하여 댐건설 없는 친환경 수력발전이 가능하다.
표면수력발전의 효율 향상을 위하여 발전현상의 기전에 대한 이해가 선행되어야 하는데, 고려대학교(총장 정진택) 보건과학대학 바이오의공학부 천홍구 교수 연구진은 전기에너지의 가역변환 과정에서 그 힌트를 얻었다. 예를 들어, 전기자동차의 모터는 전기를 가하면 움직이는데, 힘을 가해 돌려주면 발전기로 작용하여 배터리를 충전시킴으로써 (즉, 회생제동) 전기자동차의 주행거리를 늘려준다. 또한 초음파영상의료기기는 프로브에 전기신호를 가하여 초음파를 발생시키고, 조직에서 반사되어 돌아온 초음파가 프로브에 발생시킨 전기신호를 재구성하여 영상을 만든다.
소수성 표면의 물방울에 전기를 가하면 물방울의 접촉각이 변화하여 물방울을 움직일 수 있는데 이를 EWOD(electrowetting on dielectric)이라 한다. 연구진은 앞서 예로 든 전기에너지 가역변환과 마찬가지로, 전기를 가하면 EWOD 현상에 의해 물방울이 움직이는 것의 역반응으로, 물방울을 움직여주면 전력생성이 되는 것으로 가정하고, 이를 이론과 실험을 통해 증명했다. 이를 통해 만들어진 발전회로는 물방울 하나에 의해 LED 하나를 점등시킬 수 있을만큼 효율이 높다.
표면수력발전의 기전이 명확히 규명됨으로서, 발전효율 향상과 발전회로의 3차원 집적화가 가능해졌다. 태양광 발전은 패널이 설치된 면적(2차원)에 의해 발전량이 제한되는 것과 달리, 표면수력발전은 3차원 집적이 가능하여 빗물, 강물, 파도를 이용한 발전의 단위면적당 발전효율 증대가 가능하다. 또한, 표면수력발전 기술은 터빈과 같은 기계적 움직임이 없고 소음을 발생시키지 않아 친환경 수력발전 외에도 다양한 응용이 가능하다.
첫째, 표면수력발전은 태양광 패널에 적층할 수 있으므로, 햇빛이 강할 때에는 태양광발전을 하고, 우천시에는 물방울에 의한 표면수력발전이 가능하다. 둘째, 영해 감시를 위한 무인잠수정의 작전반경을 넓히는 에너지원으로 적용 가능하다. 무인잠수정이 태양광 발전을 위해 주간에 바다 위에 떠올라 있으면 정찰기에 포착될 우려가 있다. 그에 비하여, 표면수력발전은 파도에 의한 물의 움직임을 이용하므로 야간에 수면으로 올라와 충전을 진행할 수 있어 작전 수행에 유리하다. 셋째, 유로파나 타이탄과 같이 액체를 보유한 미래 인류거주 후[바른말 고운말을 사용합시다.] 지구에 비해 태양에서 멀리 떨어져 태양광 발전 효율이 극히 낮다. 액체의 흐름에 의한 표면수력발전 시스템은 태양광 발전을 대체할 중요한 에너지원이 될 수 있다.
이번 연구결과는 세계적 저명 학술지 Advanced Functional Materials(IF:16.836)에 현지시간 8월 7일자로 온라인 게재됐다.
* 논문명 : Droplet energy harvesting is reverse phenomenon of electrowetting on dielectric (EWOD)
* 저자정보 : 김기정, 김원준, 천홍구
* https://doi.org/10.1002/adfm.202105233
[ 그 림 설 명 ]
▲ 그림 : 전극에 전기를 가하면 물방울이 움직이는 EWOD 현상과 (왼쪽), 이의 역반응으로서 물방울이 움직이면 전기가 나오는 REWOD 현상 (오른쪽). 이 물방울 발전의 원리를 규명함으로써 고효율의 친환경 수력발전이 가능해졌다. (Reprint: Advanced Functional Materials)
▲ [동영상]
왼쪽: 어레이 형태의 전극에 순차적으로 전압을 가하여 물방울을 구동하는 EWOD.
오른쪽: 이의 역반응으로서 기울기를 따라 내려가는 물방울이 전압을 발생시키는 REWOD. 하나의 물방울은 하나의 LED를 점등시키기에 충분한 전력을 생성한다.
▲ 그림 : 무인잠수정의 자가 에너지 수급 방법. 왼쪽의 태양광 발전은 발전을 위하여 주간에 수면으로 올라와야 하므로 정찰기에 노출될 우려가 있다. 가운데의 기계식 발전은 소음 발생으로 인한 위치 노출 우려가 있다. 이에 비하여 오른쪽의 표면수력발전은 야간에 파도를 이용하여 소음 없이 발전하므로 위치 노출 우려가 적다.