MIT대학의 엔지니어들은 물의 증발현상을 이용하여 전기를 생산할 수 있는 새로운 고분자막(Polymer Film)을 개발하였다.

 

새로운 물질은 소량의 수증기를 흡수한 후 반복적으로 형태를 바꿀 수 있으며, 이러한 연속적인 움직임에서 전기를 생산하여 로봇팔(Robotic Limbs)을 구동하거나 마이크로 또는 나노단위의 전자장치에 에너지를 공급할 수 있다.

 

MIT의 Mingming Ma 박사는 Science 저널을 통해 이 새로운 물질에 대한 논문을 발표하였다. 그는 “배터리에서 동력을 얻는 센서는 일정 시간이 되면 교체해야 한다. 만약 새로운 물질을 적용할 수 있다면, 환경에서 에너지를 얻을 수 있기 때문에 자주 교체할 필요가 없다”고 말한다.

 

이번 논문의 공동저자이자 MIT 교수인 Robert Langer는 “연구진은 이 새로운 물질에 대해 많은 흥미를 갖고 있다. 우리는 기계적 에너지를 전기에너지로 전환하는데 있어 더 높은 효율을 달성할 것으로 기대하고 있다.

 

이 물질은 보다 넓은 범위에 활용할 수 있을 것”이라고 말한다. 이들 물질을 응용할 수 있는 분야는 대규모 수증기 동력 발전기나 휴대용 전자제품의 동력용 소형 발전기가 될 것으로 보인다.

 

이 새로운 고분자막은 서로 다른 두 종류의 고분자의 네트워크 구조를 연결하여 제조된다. 이 고분자 중 하나인 폴리피롤(Polypyrrole)은 구조를 지지하는 단단하면서 유연한 매트릭스를 형성한다. 다른 고분자인 폴리올 보레이트(Polyol-borate)는 물을 흡수하면 부풀어오르는 부드러운 젤(Gel)이다.

 

기존 연구에서는 폴리피롤만을 사용하여 물에 반응하는(Water-responsive) 고분자막을 만들고자 노력하였으나 그 자체만으로는 반응성이 적었다. 이번 연구에 참여한 Liang Guo 박사는 “서로 다른 2종의 고분자를 활용하여 기존 대비 높은 강도와 훨씬 큰 변위(Displacement)가 가능하였다”고 설명하였다.

 

고분자막은 건조한 환경과 수분이 풍부한 환경 사이의 수분 변화에서 발생하는 에너지를 수확한다. 20마이크로미터 두께를 가진 막이 아주 소량의 수분이 담겨진 표면 위에 올려지면, 고분자막의 밑바닥 층은 증발된 수분을 흡수하여 막이 둥그렇게 말리는 현상이 발생하게 된다.

 

그리고서 밑바닥 층이 대기에 노출되면 빠르게 수분을 배출하여 막이 다시 형태를 바꾸게 된다(그림 참조). 이와 같은 반복된 과정을 통해 막이 변형되는 것을 반복하게 되고, 과정이 반복되면서 물의 화학 에너지를 기계적 에너지로 전환하게 된다.

 

이러한 고분자막은 일종의 엑추에이터(Actuators)나 발전기 역할을 할 수 있다. 연구진은 25mg의 고분자막을 이용하여 380배나 큰 무게를 가진 유리 슬라이드를 올릴거나 10배나 큰 무게를 가진 실버와이어를 이동할 수 있었다. 에너지원으로 오직 물만을 사용하는 이 고분자막은 현재 소형 로봇 팔에 사용되는 동력 공급용 액추에이터를 대체할 수도 있을 것으로 기대된다.

 

이번 연구에는 참여하지 않았던 매사추세츠 대학(University of Massachusetts)의 Ryan Hayward는 이 새로운 고분자막의 장점은 온도나 산도(Acidity) 변화에 따라 엑추에이터가 반응하기 때문에 환경 조건을 조작할 필요가 없다는 것이라고 말한다.

 

그는 “이번 연구에서 있어 정말로 인상적인 부분은 연구진이 습도의 변화가 생기는 곳에서 고분자가 주기적으로 형태를 바꾸고 이를 통해 에너지를 수확하여 이용한다는 점”이라고 덧붙였다.

 

또한 새로운 물질을 통해 얻어지는 기계적 에너지는 외부 스트레스를 전기적 전하로 전환하는 압전물질(Piezoelectric Material)을 적용하여 전기로 전환될 수도 있다. 이 시스템은 평균 5.6나노와트의 전기를 생산하였으며, 이는 온도센서나 습도센서와 같은 초저전력 소형전자장치에 동력을 공급하기 위한 캐패시터에 저장될 수 있다.

 

이 고분자막이 지금보다 더 큰 규모에서 전기 생산에 사용된다면 호수나 강과 같은 지역 환경에서 에너지를 수확할 수도 있다. 또는 의류에 부착한 후 땀에 의한 증발 현상을 이용해 생체 모니터링 센서와 같은 장치에 동력을 공급할 수 있다.

 

이와 반대로 작은 규모에서 고분자막은 나노단위의 소규모 장치인 MEMS(microelectricalmechanical systems)와 같은 시스템에 적용 가능할 것이다.

 

연구진은 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환하는데 있어 보다 높은 효율에 도달하기 위해 노력하고 있다. 이를 통해 고분자막의 크기는 줄이면서 더 큰 장치에 동력을 공급할 수 있을 것이다.