KAIST(총장 이광형)는 신소재공학과 김일두 교수 연구팀이 2차원 전도성 나노물질인 맥신(MXene) 소재와 극소량의 물(30 마이크로리터μL)로 전기에너지를 생성하고, 이 에너지로 배터리를 충전할 수 있는 친환경 발전기를 개발했다고 23일 밝혔다.

김 교수 연구팀은 지난번 진행했던 연구에서 전도성 탄소 나노 입자가 코팅된 면(cotton)섬유의 한쪽 표면에 소량의 물을 떨어뜨리면 젖은 영역과 마른 영역으로 나뉘게 되면서 작은 양의 전기에너지가 발생하는 것을 발견한 바 있다. 이를 활용해 LED 전구의 불을 켜는 데 성공했으나, 실생활에 적용되기에는 에너지 생산 능력이 낮아 제한적이었다.

연구팀은 발전 효율을 높이기 위해 물과 친한 친수성 표면을 가지며 빠른 모세관 현상을 유발할 수 있는 2차원 전도성 물질에 주목했다.

2차원 물질 중에서도 전도도가 금속에 가까운 전이금속 탄화물(맥신, MXene) 중 하나인 Ti3C2Tx를 면섬유에 코팅해 발전기를 제조한 경우 기존 탄소 나노 입자가 적용된 발전기 보다 약 24배 높은 에너지 효율을 보였으며, 맥신을 전도성 고분자(Polyaniline)와 추가적으로 복합화했을 때, 탄소 나노 입자를 사용했을 때보다 약 100배 더 높은 에너지 효율을 달성했다.

맥신 소재가 적용된 자가 발전기는 기존 탄소 입자가 적용된 소자보다 7.7배 작은 크기에서도 30.9 mW/cm3라는 세계 최고 수준의 전력 밀도를 보였다. 연구팀은 맥신 기반 자가발전기 16개를 병렬로, 10개를 직렬로 총 160개를 연결해 상용 리튬폴리머 배터리(30 mAh, 3.7 V)를 20분간 14%의 용량을 충전하는 데 세계 최초로 성공했다.

이번 연구 결과는 기존 전도체 상에 물의 비대칭적인 흡착과 증발을 활용한 에너지 하베스팅 연구 등에서 보인 제한적인 에너지 생산 능력에 의해 단순히 LED 전구의 불을 켜는 수준에서, 배터리를 충전할 수 있는 수준으로 크게 향상된 성능이 특징이다. 이는 다양한 사물인터넷(IoT), 웨어러블 기기 등에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

김 교수는 "어디서든 쉽게 구할 수 있는 물이나 땀, 또는 대기 중 흩날리다 사라지는 수분을 에너지원으로 활용할 수 있는 에너지 하베스팅 기술로, 지속적인 발전이 가능한 장점이 있다ˮ고 설명하며, "전도성 2차원 물질인 맥신 물질을 사용하였을 때 물과 친한 성질과 빠른 물 확산 특성에 의해 크게 향상된 성능을 보임을 확인했고, 높은 에너지 출력을 활용한 비상 전력 생산 또는 자가 발전기 크기 증대를 통해 대용량 이차전지를 충전하는 비상 전원 용도 등으로 활용할 수 있다ˮ라고 말했다.

KAIST 신소재공학과 배재형 박사와 김민수 박사과정이 공동 제1 저자, 한국과학기술연구원 구종민 박사와 서봉임 박사, 허가현 박사, 오태곤 박사, 이승준 석사과정, 및 드렉셀 대학의 유리 고고치(Yury Gogotsi) 교수가 공동 저자로 참여한 이번 연구 결과는 환경 분야의 권위지 ‘에너지 및 환경과학(Energy & Environmental Science)’ 2021년 11월 호 온라인에 게재됐으며, 한국, 미국, PCT 특허출원을 통해 원천기술을 확보했다.

한편 이번 연구는 삼성미래육성사업의 지원을 받아 2018년 10월부터 수행됐으며, 한국연구재단(과학기술정보통신부)와 한국과학기술연구원의 지원을 받아 수행됐다.