환경재해를 예측·예방하기 위해 24시간 지속적인 모니터링을 수행할 수 있는 시스템을 구축하는 것이 중요하다. 광활한 면적을 끊임없이 모니터링하기 위해 주로 원격 탐사물이 사용되며 주로 배터리가 구동원으로 활용된다.

하지만 배터리는 충전과 주기적 교체가 필요하고, 특히 사람이 오가기 힘든 극한 지역에 대한 모니터링 수행 시 배터리 관련 단점이 더욱 두드러진다.

이런 문제점을 해결하고자 최근 한양대 기계공학과 최준명 교수팀과 한국생산기술연구원(이하 생기원) 김시형 박사팀이 손을 잡았고, 그 결과 바람·파도·해류 등에서 발생하는 1Hz 이하의 진동에서 전기에너지를 생산하는 에너지 하베스터 개발에 성공했다. 

개발된 에너지 하베스터는 실험실 조건 기준 현재까지 발표된 수전해기반 에너지 하베스터 중 세계 최고의 성능(1.6–10.45mW/㎤)을 보이며, 바닷물 안에서도 장기간 자가발전이 가능함을 증명했다. 

해당 기술의 핵심은 코일형 탄소나노튜브 원사의 치밀한 구조적 설계와 독특한 제작 방법에 있다. 공동 연구팀은 탄소나노튜브 원사를 길이방향으로 균일하게 배열한 뒤에 꼬아나가는 새로운 ‘L-twist’ 공정을 개발했다.

해당 공정으로 만들어진 ‘L-코일 원사’는 기계에너지를 전기에너지로 변환하는데 특화된 구조로, 기존 학계에서 발표된 동일계열 소재보다 4배 향상된 에너지 생산밀도와 2배 높은 에너지 변환 효율을 가졌다. 

특히 L-코일 원사로 제작된 에너지 하베스터는 0.1Hz ~ 1Hz 사이의 기계적 변동속도에 대해 1.6–10.45mW/㎤의 전기를 출력했고, 이는 전기뱀장어 20 마리가 낼 수 있는 전기출력과 유사하다. 또 내 부식성이 좋아 바닷물에서도 오랫동안 안정적으로 전기에너지를 생산할 수 있다는 장점을 가졌다.

한양대 최준명 교수는 “이번 연구의 의의는 해양 내 감시진단 모니터링을 반영구적으로 가능하게 하는 동력원의 초석이 마련했다는 점에 있다”며 감회를 표현했다. 
  생기원 김시형 박사는 “이번에 개발된 L-코일 원사는 기계적, 화학적 안정성이 뛰어나 해양뿐만 아니라 대기 중에서도 활용가능하기에 지구상 대부분의 환경에서 활용할 수 있다”며 보다 다양한 운용처를 제시했다. 

한양대-생기원 공동연구팀은 작년 3월 신설된 일반대학원(HYU-KITECH 공동학과) 과정의 상호 파트너로서 참여해 학술적으로뿐만 아니라 교육적으로도 교류관계를 돈독히 하고 있다. 이번 연구성과는 이러한 적극적인 교류 과정에서 탄생한 결과로서, 이번 연구는 그 학술적 우수성을 인정받아 재료과학 분야 세계적 학술지 「Advanced Science, IF=17.521」에 9월 18일 게재됐다. 

한편 한양대-생기원 공동연구팀은 전기화학기반 에너지 하베스터의 근원적 원리를 더욱 명확히 이해하기 위한 다양한 연구를 수행 중이다. 이로부터 단일 에너지 하베스터 성능을 더욱 향상시키는 것은 물론, 병렬화 및 대형화 기술 접목을 통한 상용화에도 힘쓰고 있다. (끝)