아주대·광운대 공동연구…다공성 CTF 소재로 이온 이동 및 전압 방향 제어 성공
외부 전원 없는 친환경 에너지 하베스팅…이온 전달·변환 소재 활용 기대
가천대학교는 김대건 화공생명배터리공학부 교수 연구팀이 아주대(이준우·박성준 교수), 광운대(이기원 교수) 연구팀과 공동연구를 통해 증산 구동 발전 소자의 이온 선택성을 높이고 전압 극성을 제어할 수 있는 공유결합 트리아진 구조체(CTF) 기반 소재를 개발했다고 10일 밝혔다.
증산 구동 발전 소자는 주변의 물이 증발할 때 발생하는 이온의 이동을 전기에너지로 전환하는 기술이다. 외부 전원 없이 상온에서 지속해서 전력을 얻을 수 있어 차세대 에너지 생산 기술로 꼽힌다.
기존 소자는 내부에서 양이온과 음이온이 동시에 무작위로 이동해 전하 분리가 충분히 이뤄지지 않는 문제가 있었다. 이로 인해 출력 전압과 전류가 낮아져 상용화의 걸림돌로 작용했다.
공동연구팀은 중성·음전하·양전하 특성을 각각 지닌 CTF 소재를 정밀 설계해 이 문제를 극복했다. 규칙적인 미세 기공을 지닌 다공성 고분자인 CTF 내부에 고정 전하를 부여해 같은 전하를 띤 이온의 이동은 억제하고 반대 전하의 이온 이동은 촉진하는 '도난 배제 효과'(Donnan exclusion)를 유도했다.
연구팀은 실험을 통해 소재의 전하 특성에 따라 주도적으로 이동하는 이온의 종류가 달라지고, 이에 따라 발생 전압의 크기뿐만 아니라 전압의 방향(극성)까지 제어할 수 있음을 입증했다.
개발된 이온성 CTF 기반 소자 8개를 직렬로 연결해 상용 LED 단말을 구동하는 데도 성공하며 실제 활용 가능성을 확인했다.
김 교수는 "다공성 소재의 전하 특성을 조절해 이온의 선택적 이동을 제어하고 이를 발전 특성과 직접 연계했다는 점에 의의가 있다"며 "수분 활용 에너지 하베스팅은 물론 선택적 이온 전달이 요구되는 다양한 에너지 변환 소자 분야로 응용 범위를 넓힐 수 있을 것"이라고 설명했다.
이번 연구 성과는 화학공학 분야 국제 학술지 '케미컬 엔지니어링 저널'(Chemical Engineering Journal, IF 12.5)에 온라인 게재됐으며, 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐다.
