한양대·생기연, 순수 물로 전기 만드는 ‘하이드로볼텍 셀’ 개발

[이데일리 김응열 기자] 한양대는 바이오메디컬공학부의 최창순 교수 연구팀과 한국생산기술연구원 섬유솔루션부문의 김시형 박사 연구팀이 정지된 순수 물(deionized water) 속에 전기 생산이 가능한 탄소나노튜브(CNT) 기반 신축성 하이드로볼텍 셀(hydrovoltaic cell)을 개발했다고 8일 밝혔다.

(왼쪽부터)한양대의 손원경 박사, 이재명 박사과정생, 김시형 박사, 최창순 교수. (사진=한양대)

기존 수분 기반 전기 에너지 하베스팅 기술은 물의 인위적 흐름, 농도 차이, 압력 변화 등이 필수 조건이었다. 또 소자 자체가 비신축성 구조인 경우가 많아 실제 사용 환경에서는 성능이 쉽게 저하되는 한계가 있었다. 특히 정지된 순수 물에서는 이온 유동이 부족해 전기 생산이 사실상 불가능했다.

연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 수중에서 서로 다른 표면전하 특성을 갖는 두 종류의 CNT 섬유(소수성 및 친수성)를 제작하고 이를 탄성 고무 섬유에 이중나선(double-helix) 구조로 감아 고정(winding-locked)시키는 새로운 설계를 도입했다. 이 구조 내에서 두 CNT 섬유는 물과 접촉할 때 비대칭적 전하 상호작용이 발생해 별도의 흐름이나 외부 자극 없이도 전위차를 형성했다.

개발된 하이드로볼텍 셀은 정지된 순수 물에 담그는 것만으로 약 0.31 V의 안정적인 전압과 22.4 μA/cm²의 전류를 지속적으로 생성할 수 있었다. 아울러 최대 200%의 신장 조건에서도 출력 변화 없이 작동해 높은 내구성과 신축성을 입증했다. 이중나선으로 고정된 구조 덕분에 직물 형태 웨어러블 플랫폼에 직접 적용할 수 있는 높은 기계적 내구성도 확보했다.

연구팀은 해당 셀을 일반 면장갑에 봉제해 실제 손가락 굽힘 동작 동안 발생하는 실시간 전압 변화를 안정적으로 측정하는 데 성공했다. 나아가 여러 개의 하이드로볼텍 셀을 직·병렬로 연결해 출력 전압과 용량을 확장하고 이 에너지를 이용해 탄소나노튜브 기반 회전형 인공근육을 직접 구동하는 데 성공했다. 향후 웨어러블 전자기기, 스마트 의류, 자가구동 소프트 로봇 등 다양한 응용 분야로 확장될 전망이다.