일상에서 쉽게 볼 수 있는 공기방울이 전기에너지로 재탄생됐다. 단국대와 서울대 공동연구팀은 공기방울의 움직임을 이용한 전기에너지 생산 기술을 개발해 친환경 재생에너지 생산에 기여할 것으로 주목받고 있다.

송영석 단국대 파이버시스템공학부 교수가 주도하고, 윤재륜 서울대 재료공학부 교수가 참여한 이번 연구는 미래창조과학부가 추진하는 기초연구사업(신진연구자지원사업)의 지원으로 수행됐다. 연구 결과는 에너지 분야 권위지로 알려진 『나노 에너지(Nano Energy)』 1월호 표지 논문(‘Ferrohydrodynamic energy harvesting based on air droplet movement’)으로 게재됐다.

연구팀은 끓는 물이나 떨어지는 폭포수, 탄산음료 등 일상생활에서 흔히 볼 수 있는 공기방울을 전기가 흐를 수 있는 액체(자기유체)에 넣어 전자기장 변화를 줌으로써 친환경 에너지 생산이 가능하다고 밝혔다.

자기유체에는 나노크기의 산화철 입자가 분산되어 있어 외부 자기장에서 마치 고체 자석과 같이 움직인다. 이러한 자기유체에 마이크로 리터의 공기방울이 지나가면 분산되어 있던 산화철 입자가 움직여 자기유체의 자기장이 변한다. 코일 내에서 자기유체의 자기장이 시간이 지남에 따라 변하면 유도기 전력에 의해 코일에 전기에너지가 발생한다. 이렇게 수확한 전기에너지는 영구자석과 자기유체, 코일만으로 전기를 생산할 수 있어 환경파괴가 거의 없는 새로운 신재생에너지로 기대된다.

▲ 자기장의 유무에 따라 공기방울이 받는 힘 평형 상태 변화 모습.

또한, 연구에서는 자기유체 내에서 공기방울의 크기와 속도에 따른 전자기유도에너지의 변화를 실험적으로 분석했을 뿐만 아니라, 이를 수치해석적으로 모델링했다. 이를 통해 자기유체의 자기유변학(magnetorheology)적 특성과 공기방울의 수력동력학(hydrodynamics)적 거동에 대한 이해가 용이해졌다.

이번에 연구한 자기유체와 공기방울을 이용한 친환경 에너지 생산효율은 9.26%로 확인됐다. 단, 에너지 생산효율은 공기방울의 크기, 외부 자기장의 세기, 감긴 코일의 수, 유체 속도 등에 의해 변화한다.

석탄과 같은 화석연료와, 원자력을 대체할 수 있는 무공해 에너지인 태양열(광)·풍력·수력·지열에너지 등은 환경파괴를 일으키거나, 복잡한 장치 및 낮은 효율 등의 한계를 가졌다. 그러나 이 신기술은 공기방울 동력학에 기반을 둔 신재생에너지 생산방법으로, 환경에 영향을 주지 않고 매우 간단한 방법으로 에너지를 얻을 수 있어 친환경 에너지로 활용될 전망이다.

향후 이 기술을 이용함으로써 OECD 회원국 대비 낮은 우리나라의 신재생에너지 보급비율을 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다. 논문의 교신저자인 송영석 교수는 “이 기술은 공기방울을 이용해 에너지를 얻을 수 있는 새로운 전기에너지 생산법으로, 향후 친환경 재생에너지원으로 기여할 수 있을 것으로 기대된다”고 전했다.