탄소섬유 복합재에 코팅으로 전류를 효과적으로 확보하는 기술을 개발한 UNIST 박영빈 교수, 이성환 박사(제1저자), 김재진 연구원(제1저자) (왼쪽부터) [UNIST 제공]

[헤럴드경제(울산)=박동순 기자] 지붕에 떨어지는 빗방울로 전기를 만드는 기존의 기술을 크게 개선한 기술이 개발됐다.

울산과학기술원(UNIST)은 15일 기계공학과 박영빈 교수팀이 빗방울로 전기를 만드는 탄소섬유 복합재 기반 물방울 발전기(액적 발전기, S-FRP-DEG)를 개발했다고 밝혔다.

물방울 활용 에너지 확보 기술은 물방울과 고체 재료가 접촉하면서 발생하는 정전기를 활용해 전기 에너지를 생산하는 원리이다. 이 기술은 지난 2020년 처음 제안된 이후 금속 기반 물방울 발전기가 개발됐으나 금속이 빗속의 오염물질에 의해 쉽게 부식되는 문제가 있었다.

박 교수팀은 이 문제 해결을 위해 부식에 강한 탄소섬유 복합재를 개발했다. 탄소섬유 복합재는 탄소섬유 다발을 플라스틱 수지에 섞은 소재로 가벼우면서도 강해 건물 지붕과 같은 외장재로 쓸 수 있는 소재이다.

탄소섬유 복합재 발전기는 양전하를 띠는 빗방울이 음전하를 띠는 복합재 표면에 닿았다 떨어지는 순간 전하 입자가 탄소섬유를 타고 이동하면서 흐르는 전기를 확보해 에너지를 생산한다. <아래 그림>

빗방울 발전기 표면에서 빗방울이 튕겨져 나간 모습 [UNIST 제공]

연구팀은 또 복합재 표면을 특수 가공한 뒤 코팅재를 입혀 빗방울의 순간적 접촉 면적은 넓히되, 빗방울이 빠르게 구슬처럼 변해 표면에서 굴러떨어지도록 만들어 발전기의 성능도 개선했다. 코팅재는 복합재 표면을 나노 돌기와 왁스층으로 덮여 물방울이 잘 구르는 연꽃잎과 같이 빗방울이 튕겨 나가도록 해 순간적 접촉성을 높이고, 또 도심 오염물이나 매연이 달라붙는 것도 막을 수 있어 야외에 설치하는 발전기가 성능 유지에 도움을 준다.

실제로 실험 결과, 연구팀이 개발한 발전기는 약 92μL(마이크로리터) 크기의 빗방울 하나가 떨어질 때 최대 약 60V의 전압과 일정 수준의 전류를 생산했다. 발전기 4개를 직렬로 연결했을 때는 LED 전구 144개를 순간적으로 점등해냈다.

연구팀은 빗방울이 많이 떨어질수록 전기 신호가 더 자주 발생하고 강우량에 따라 펌프 작동 횟수가 달라지는 발전기의 성능을 활용해 폭우에 따른 침수 상황을 구분할 수 있음도 확인했다.

박영빈 교수는 “이 기술은 별도의 외부 전원 없이 빗물만으로 건물이나 교량 같은 도시 기반 시설을 관리하고 침수 피해를 예방하는 데 기여할 뿐만 아니라, 향후 항공기나 자동차 등 탄소섬유 복합재가 들어가는 모빌리티의 자가 전원 기술로 쓸 수 있을 것”이라고 밝혔다.

연구는 결과는 소재 분야 국제 학술지인 ‘어드밴스드 펑셔널 머터리얼즈(Advanced Functional Materials)’에 11월 20일 온라인판에 게재됐다.