[연구개발]카이스트 신소재공학과 김일두 교수 연구팀, 나노물질 맥신 이용 친환경 발전기 개발

[한국강사신문 장한별 기자] 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.


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[사진출처=카이스트]

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.


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[사진출처=카이스트]


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.


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[사진출처=카이스트]


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.


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김일두 교수 [사진출처=카이스트]


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.


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배재형 박사 [사진출처=카이스트]


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.


출처 : 한국강사신문 http://www.lecturernews.com/news/articleView.html?idxno=81473">http://http://www.lecturernews.com/news/articleView.html?idxno=81473

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