아주대학교는 윤태광 교수 연구팀이 한국생산기술연구원의 윤기로 교수팀과 함께 외부 물 공급 없이도 작동하는 자립형 슬롯 나라지하베스팅 시스템을 개발했다고 7일 밝혔다. 이번 연구는 국제 저명 학술지 Composites Part B: Engineering (JCR 상위 1%)에 게재됐다.
이 시스템은 낮과 밤의 일교차를 이용해 공기 중 수분을 스스로 수집하고 이를 전기슬롯 나라지로 전환하는 방식으로, 오지나 사막처럼 물이 부족한 극한 환경에서도 자체적으로 전력을 생산할 수 있는 것이 특징이다.
기존의 물 기반 슬롯 나라지 하베스팅 기술은 외부에서 물을 공급해 젖은 면과 마른 면의 전위차를 이용해 전기를 만들어냈지만, 물 공급이 필수라는 한계가 있었다. 연구팀은 식물의 증산작용과 모세관 현상에 착안해 두 종류의 금속-유기 구조체(MOF), 즉 UiO-66-NH2와 Ni₃(HITP)₂를 활용한 새로운 방식을 고안했다.
밤에는 UiO-66-NH2가 차가운 공기 중의 수분을 흡수하고, 낮에는 흡수한 수분을 방출한다. 이 수분은 Ni₃(HITP)₂가 코팅된 섬유 표면에 응축되면서 섬유의 비대칭적인 젖음 현상을 유도해 전위차를 발생시키고, 이로 인해 전기가 흐르게 된다. 이를 통해 최대 전력밀도 2.6μW/cm³, 에너지 밀도 1.1mJ/cm³를 달성하는 데 성공했다.
특히 UiO-66-NH2는 일반적인 환경뿐 아니라 저습 환경에서도 우수한 수분 흡·탈착 성능을 보이며, 다양한 기후 조건에서도 안정적으로 작동하는 것으로 나타났다. 연구팀은 사막, 해안, 내륙 등의 기후를 모사한 환경 실험을 통해 시스템의 자율 작동 가능성을 입증했다.
윤태광 교수는 “이번 연구는 외부 전력이나 물 없이도 작동 가능한 자립형 에너지 하베스팅 시스템의 실현 가능성을 보여준다”며 “재난 현장이나 에너지 인프라가 부족한 지역에서 활용될 수 있기를 기대한다”고 말했다.
윤기로 박사는 “극한 기후와 인프라가 열악한 지역에서도 손쉽게 전기를 얻을 수 있는 기술 기반을 마련했다”며 “탄소중립 사회 실현을 위한 지속 가능한 에너지 기술로 이어지길 바란다”고 밝혔다.