융합공학부 황병일 교수 연구팀, 목재 기반 자가발전형 친환경 에너지 하베스터 개발 나노기공·표면전하 제어로 물 증발 과정에서 전기 생산하는 하이드로볼타익 소자 구현
우리 대학 한-스웨덴 섬유기반 자립형 미래에너지 소재기술혁신센터 연구진이 스웨덴 찰머스공과대학 연구진과 공동연구를 통해 목재의 다공성 구조를 활용한 자가발전형 하이드로볼타익 에너지 하베스터를 개발했다. 해당 연구성과는 국제학술지 Nano Energy에 「Polyelectrolyte functionalized photothermally active surface charge effective tuned porous wood as ambient evaporation induced hydrovoltaic energy harvesting」라는 제목으로 게재됐다.
연구팀은 천연 목재가 가진 수직 방향의 다공성 채널 구조에 주목했다. 목재 내부의 미세한 기공은 물을 자연스럽게 이동시키는 통로로 작용하며, 물이 증발하는 과정에서 이온 이동과 전하 분리가 일어나 전기에너지를 발생시킬 수 있다. 그러나 기존 목재 기반 하이드로볼타익 소자는 표면전하 밀도와 이온 선택성이 충분하지 않아 출력 향상에 한계가 있었다.
이를 해결하기 위해 연구팀은 리그닌을 제거한 다공성 목재에 광열 특성을 지닌 황화철(FeS)을 코팅하고, 음전하를 갖는 고분자전해질인 PSS⁻를 기능화했다. FeS 층은 빛을 흡수해 국소적인 열을 발생시켜 물 증발을 촉진하고, PSS⁻ 층은 목재 내부 채널의 표면전하 밀도를 높여 양이온 선택적 이동과 전하 분리를 강화하는 역할을 했다. 특히 연구팀은 기공 크기를 약 20–100 nm 범위로 조절함으로써 전기이중층(EDL) 중첩과 이온 선택성을 극대화할 수 있음을 확인했다.
개발된 PSS/FeS 기능화 목재 기반 소자는 일반적인 증류수 증발 조건에서 약 289 mV의 개방전압과 3.5–4 μA의 단락전류를 나타냈으며, 160시간 이상 안정적으로 작동했다. 또한 적외선 기반 광열 증발 조건에서는 약 454 mV의 전압과 20 μA 수준의 전류를 구현했다. 표준 태양광 조건에서는 약 2.4 kg m⁻² h⁻¹의 높은 증발 속도와 11.19 μW cm⁻³의 출력 밀도를 보였으며, 염 축적을 억제하는 자가세정 특성도 확인됐다.
연구팀은 8개의 소자를 직렬 및 병렬로 연결해 각각 2.7 V의 전압과 42 μA의 전류를 얻는 데 성공했다. 이를 통해 발광다이오드(LED)와 휴대용 계산기를 구동하는 실증도 수행해, 개발된 소자가 실제 저전력 전자기기 구동 및 친환경 분산형 에너지 수확 시스템으로 확장될 수 있음을 보여줬다.
황병일 교수는 “이번 연구는 자연 유래 목재의 계층적 다공성 구조를 에너지 하베스팅 플랫폼으로 활용하고, 표면전하와 나노채널 구조를 정밀하게 제어해 물의 자연 증발 과정에서 전기에너지를 생산한 사례”이며 “친환경 바이오 소재와 광열·전기화학적 계면 설계를 결합함으로써 지속가능한 자가발전 소자, 해수 기반 에너지 수확, 저전력 센서 및 사물인터넷 전원 기술로 확장될 수 있는 의미 있는 성과”라고 밝혔다.
한편, 본 연구에는 Sujith Lal 박사 후 연구원, Thirumalaisamy Suryaprabha 연구원, 스웨덴 찰머스공과대학 Li-Yang Liu 교수, 황병일 교수가 참여했으며, 과학기술정보통신부·한국연구재단의 해외우수연구기관 협력허브사업의 지원을 받아 수행되었다.
연구팀은 천연 목재가 가진 수직 방향의 다공성 채널 구조에 주목했다. 목재 내부의 미세한 기공은 물을 자연스럽게 이동시키는 통로로 작용하며, 물이 증발하는 과정에서 이온 이동과 전하 분리가 일어나 전기에너지를 발생시킬 수 있다. 그러나 기존 목재 기반 하이드로볼타익 소자는 표면전하 밀도와 이온 선택성이 충분하지 않아 출력 향상에 한계가 있었다.
이를 해결하기 위해 연구팀은 리그닌을 제거한 다공성 목재에 광열 특성을 지닌 황화철(FeS)을 코팅하고, 음전하를 갖는 고분자전해질인 PSS⁻를 기능화했다. FeS 층은 빛을 흡수해 국소적인 열을 발생시켜 물 증발을 촉진하고, PSS⁻ 층은 목재 내부 채널의 표면전하 밀도를 높여 양이온 선택적 이동과 전하 분리를 강화하는 역할을 했다. 특히 연구팀은 기공 크기를 약 20–100 nm 범위로 조절함으로써 전기이중층(EDL) 중첩과 이온 선택성을 극대화할 수 있음을 확인했다.
개발된 PSS/FeS 기능화 목재 기반 소자는 일반적인 증류수 증발 조건에서 약 289 mV의 개방전압과 3.5–4 μA의 단락전류를 나타냈으며, 160시간 이상 안정적으로 작동했다. 또한 적외선 기반 광열 증발 조건에서는 약 454 mV의 전압과 20 μA 수준의 전류를 구현했다. 표준 태양광 조건에서는 약 2.4 kg m⁻² h⁻¹의 높은 증발 속도와 11.19 μW cm⁻³의 출력 밀도를 보였으며, 염 축적을 억제하는 자가세정 특성도 확인됐다.
연구팀은 8개의 소자를 직렬 및 병렬로 연결해 각각 2.7 V의 전압과 42 μA의 전류를 얻는 데 성공했다. 이를 통해 발광다이오드(LED)와 휴대용 계산기를 구동하는 실증도 수행해, 개발된 소자가 실제 저전력 전자기기 구동 및 친환경 분산형 에너지 수확 시스템으로 확장될 수 있음을 보여줬다.
황병일 교수는 “이번 연구는 자연 유래 목재의 계층적 다공성 구조를 에너지 하베스팅 플랫폼으로 활용하고, 표면전하와 나노채널 구조를 정밀하게 제어해 물의 자연 증발 과정에서 전기에너지를 생산한 사례”이며 “친환경 바이오 소재와 광열·전기화학적 계면 설계를 결합함으로써 지속가능한 자가발전 소자, 해수 기반 에너지 수확, 저전력 센서 및 사물인터넷 전원 기술로 확장될 수 있는 의미 있는 성과”라고 밝혔다.
한편, 본 연구에는 Sujith Lal 박사 후 연구원, Thirumalaisamy Suryaprabha 연구원, 스웨덴 찰머스공과대학 Li-Yang Liu 교수, 황병일 교수가 참여했으며, 과학기술정보통신부·한국연구재단의 해외우수연구기관 협력허브사업의 지원을 받아 수행되었다.