부유식 물 발전기, 강우를 재생 가능 에너지로 전환

에너지에 대한 수요가 빠르게 증가하고 있습니다. 2024년에 이 세계 전력 수요가 4.3% 증가했습니다. 이는 전년도의 2.5% 상승보다 훨씬 큰 증가이며, 2010년부터 2023년까지의 전력 수요 성장 평균 속도와 비슷합니다.

이 성장의 주요 원인은 AI 채택과 전기차 급증으로 인한 데이터 센터의 대규모 확장이며, 산업 확대와 에어컨 사용 증가도 크게 기여하고 있습니다.

화석 연료는 지난해 전력 생산의 절반 이상(거의 60%)을 차지했으며, 석탄이 세계에서 가장 큰 원천으로 남아 있습니다. , 전력 믹스는 실제로 변화하고 있습니다. IEA에 따르면, 사상 처음으로 재생 에너지와 원자력 발전이 2024년 전 세계 총 발전량의 2/5를 차지했습니다.

특히 재생 에너지는 세계 전력 생산의 1/3을 차지했습니다. 재생 에너지 중 수력은 전체 전력 생산의 14%로 가장 큰 비중을 차지하고, 그 다음으로 풍력이 8%, 태양광 PV가 7%, 바이오에너지와 폐기물 에너지가 3%에 불과합니다.

청정 에너지로의 주요 발전임에도 불구하고, 재생 에너지의 전 세계 에너지 생산 기여도는 여전히 낮습니다. 따라서 재생 에너지로의 전환을 가속화하기 위해, 연구자들은 일일 전력 소비 증가에 대응하는 새로운 에너지 변환 기술을 개발하고 있습니다.

특히 환경으로부터 직접 에너지를 수집하는 시스템은 재생 에너지 사용을 늘리는 데 도움이 될 수 있습니다.

수력볼타ics: 비와 물 순환을 전기로 전환

물은 생명의 핵심 요소입니다. 우리 몸의 큰 부분을 차지할 뿐만 아니라 지구의 큰 부분을 차지합니다. 지구의 70%를 덮고 있는 물은 가장 풍부한 자원이며, 다양한 형태의 상당한 에너지를 포함하고 있지만 대부분은 크게 활용되지 않고 있습니다.

이 에너지를 활용하는 방법 중 하나는 수력 발전으로, 흐르는 물의 자연 흐름을 이용해 전기를 생산합니다.

물의 자연 순환에서 에너지를 수확하는 또 다른 강력한 방법은 수력볼타ic 기술입니다. 기존 기술이 물의 운동 에너지를 수확하는 것과 달리, 수력볼타ic 기술은 전극 물질과 물의 직접 상호작용을 통해 전기를 생성합니다.

수력볼타ic 기술은 물이 그래핀, 탄소 나노튜브, 탄소 나노입자, 전도성 고분자와 같은 나노소재와 상호작용함으로써 열 에너지를 직접 전기 에너지로 변환할 수 있는 저비용 고효율 시스템 개발을 가능하게 합니다.

여기서 변환되는 에너지는 물방울, 흐름, 변동, 응축 또는 증발에 의해 생성되며 출력 전력을 크게 증가시킵니다. 연구 언급합니다¹ 세계 물에 존재하는 에너지의 1%만을 1% 효율로 수력볼타ic 기술을 통해 활용하면 전 세계 에너지 필요량의 1/3을 충족할 수 있다고 합니다.

따라서 이 개발 중인 기술을 기반으로 한 장치는 전력 소모가 큰 세계의 수요를 재생 에너지로 충족시키는 데 필수적입니다.

이로 인해 물방울의 기계적 에너지를 전기로 변환하는 드롭릿 에너지 발생기, 즉 비방울을 전기로 변환하는 수력볼타ic 기술에 대한 광범위한 연구가 진행되었습니다. 그러나 현재 기술의 한계로 물에 포함된 에너지를 효율적으로 전기로 변환하지 못하고 있습니다.

예를 들어, 두 가지 다른 물질이 접촉 후 분리될 때 전하가 발생하는 트리보전기 효과를 기반으로 한 전통적인 드롭릿 에너지 발생기는 물방울이 표면에 충돌할 때 전기를 생성할 수 있습니다. 그러나 계면 효과가 표면에 생성되는 전하 수를 제한하여 상대적으로 낮은 에너지 변환 효율을 초래합니다.

그래서 연구팀은 표면에 떠서 높은 출력을 내는 새로운 “물 통합 드롭릿 전기 발생기”를 개발했으며, 차세대 경량 고효율 장치의 전망을 제시합니다. 연구에 따르면:

우리는 이 연구가 물과 같은 자연 물질을 활용하여 수력볼타ic 장치를 구축하고 토지 없는 대규모 적용을 진전시키는 새로운 길을 열 것이라고 기대합니다.

하지만 이 연구에 들어가기 전에, 먼저 이 분야에서 어떤 일이 일어나고 있는지 살펴보겠습니다.

드롭릿 전기 발생기 (DEG) 최신 기술 현황

비와 같은 움직이는 물방울은 널리 퍼져 있으며 상당한 운동 에너지를 가지고 있어 지속 가능한 전기 생산에 가능성을 보여줍니다.

드롭릿 기반 전기 발생기 (DEG)는 강력한 기술이며 자연 환경에서 에너지를 효율적으로 수확하는 방법으로 기대를 모으고 있습니다.

이 장치는 떨어지는 물방울을 이용해 전기를 생성합니다. 일반적으로 두 개의 트리보전기 층과 전극 한 쌍으로 구성되며, 물방울이 표면에 충돌하고 미끄러질 때 전하가 분리됩니다.

DEG의 저비용, 간단한 구조 및 높은 전력 밀도는 연구자들 사이에서 환경 물원으로부터 운동 에너지를 수확하는 데 인기를 끌게 했습니다.

하지만 복잡한 구조와 낮은 출력 전력 밀도로 인해 광범위한 적용이 방해받고 있습니다. 또한, 육상 기반 사용에 제한되어 호수, 강, 바다에 적용하기 어렵습니다.

DEG의 다른 과제는 통합 시스템에서 시간에 따른 성능 저하, 재료 내구성 문제, 대규모 적용을 위한 높은 공간 요구량 등입니다.

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따라서 연구는 효율성을 개선하기 위해 더 나은 설계, 물을 구조의 일부로 활용, 재료 최적화 등에 초점을 맞추고 있으며, 최근 혁신은 경량, 비용 효율적, 심지어 부유형 장치를 만들고 있습니다.

몇 년 전, 홍콩 시립대학(CityU) 연구팀은 개발했습니다² 필드-이펙트 트랜지스터(FET)와 유사한 구조의 DEG를 만들었으며, 높은 에너지 변환 효율을 달성했습니다. 순간 전력 밀도는 수천 배 이상 높아졌습니다.

그들의 연구에는 두 가지 핵심 요소가 있었는데, 하나는 연속적인 물방울이 PTFE 표면에 충돌할 때 표면 전하가 축적되어 점차 포화에 이른다는 팀의 발견이었습니다. 이는 이전에 겪었던 낮은 전하 밀도를 새로운 고밀도 표면 전하 축적 및 저장 방법으로 극복하는 데 도움이 되었습니다.

다른 요소는 설계였으며, 핵심 특징은 FET와 유사한 독특한 구조 세트였습니다. 장치는 알루미늄 전극과 PTFE/ITO 전극으로 구성되며, ITO 전극 위에 PTFE 필름이 증착됩니다. 물방울이 PTFE/ITO 표면에 충돌하고 퍼지면 두 전극을 연결해 시스템을 폐회로 전기 회로로 전환합니다.

이 설계는 PTFE 표면에 높은 밀도의 전하를 축적할 수 있게 했으며, 물이 퍼지면서 두 전극을 연결하면 PTFE에 저장된 전하가 완전히 방출되어 전류를 생성합니다.

CityU의 설계가 전하 축적을 강화하는 데 초점을 맞춘 반면, 중국 과학원 팀은 DEG의 구조를 단순화하여 확장성을 높였습니다.

중국 연구팀은 제안했습니다³ 자체 정전용량 효과를 완전히 활용하는 간단한 개방형 구조의 DEG를 제안했습니다.

문제는 단일 또는 소수의 DEG만으로 전기 장비에 지속적으로 에너지를 공급하기 어렵다는 점입니다.

팀은 경사진 건물의 대규모 비방울 에너지를 수확할 때, 모든 DEG를 병렬 연결해 부하(예: 전구)에 전력을 공급하는 간단한 방법을 제시했습니다.

따라서 태양전지 패널의 셀 구조를 참고하고 상전극의 자체 정전용량 효과를 최대한 활용하여, 상전극, 하전극, PTFE 필름, 부하로 구성된 간단한 개방형 구조인 SCE-DEG를 도입했습니다.

여기서 전극은 서로 연결될 필요가 없지만, 상전극의 자체 정전용량 효과를 통해 높은 순간 출력 전력을 얻을 수 있어 구조가 훨씬 간단하고 대규모 보급에 편리합니다.

시험 결과, 61 µL 물방울 하나로 212 mW 출력 전력을 생산하고 100개의 상업용 LED를 직접 밝힐 수 있었습니다.

최근 스웨덴 KTH 왕립공대 연구팀은 맞춤화했습니다⁴ DEG의 하전극 면적을 물방울이 퍼지는 면적에 맞추어 설계했으며, 이는 개별 셀의 평균 출력 전력을 두 배로 늘렸습니다.

팀은 30셀 배열을 제작했으며, 이는 최신 배열보다 약 2.5배 높은 전력을 달성했습니다. 또한 400셀 마이크로 슈퍼커패시터(MSC) 배열을 통합해 30셀 발생기 배열이 생산한 전기를 21.8% 효율로 저장했으며, 전력 관리 칩을 사용하지 않았습니다.

이 통합은 81.2 µW 출력 전력을 가진 자체 충전 전력 시스템(SCPS)을 생성합니다.

30셀 DEG 배열이 400셀 MSC 배열을 단 30초만에 충전한 후, 통합 SCPS는 LED를 60초 동안 지속적으로 작동시킬 수 있어, 자연 물을 활용한 대규모 DEG 배열과 초고속 MSC 배열을 결합해 고효율 에너지 수확을 위한 SCPS 구축 전략의 가능성을 시사합니다.

부유식 W-DEG: 경량, 비용 효율적인 비 전력 솔루션

현재 난징 항공우주대학 연구진은 새로운 솔루션인 부유식 DEG를 개발했으며, 이는 자연 물을 구조의 핵심 부분으로 활용해 경량, 저비용, 친환경적인 재생 에너지 생산 경로를 제공합니다.

기존의 유전체 필름이 단단한 기반 위에 놓이고 금속 전극이 그 아래에 있는 설계와 달리, 새로운 설계는 물을 지지 기반이자 전도 전극으로 사용합니다. 이 상전극-유전체-물 구조는 기존 모델에 비해 재료 무게와 비용을 각각 87%와 50% 절감하면서도 유사한 전기 출력 수준을 유지하고 다양한 작업 환경에서 뛰어난 내구성을 보여줍니다.

게시일 in National Science Review⁵, 이 연구는 물의 전기 및 구조적 기능을 활용한 새로운 물 통합 부유 DEG(W-DEG) 개발로 이어진 ‘자연 통합’ 설계 경로를 상세히 설명합니다.

작동 방식은 비방울(미사용 에너지를 담은 신선한 물)이 부유 유전체 표면에 착지하면, 플루오린화 에틸렌 프로필렌(FEP) 얇은 필름이 즉시 반응한다는 것입니다. 화학적으로 관성인 얇은 FEP 필름은 극한 온도 변화, 부식, 조류 및 박테리아 성장에 저항합니다.

물방울이 퍼지면서 이온 흐름을 생성하고, 상부 영역과 하부 영역 사이에 전하 전달이 일어나 매우 작은 전기를 발생시킵니다. 물방울이 튕겨 나가면 표면이 재설정됩니다.

여기서 물의 자연적 특성은 충격을 흡수하고 물방울이 효율적으로 퍼지도록 하는 기계적 안정성을 제공하며, 굽히거나 파손되지 않습니다.

이러한 자연적 특성에는 강한 표면 장력과 비압축성이 포함됩니다. 물은 거의 압축되지 않는 것으로 간주되어 압력 하에서 거의 압축되지 않으며, 수소 결합에 의해 물 분자 간 강한 응집력이 형성되어 강한 표면 장력을 만들어냅니다.

한편 물 속의 이온은 전하 운반체 역할을 하여 신뢰할 수 있는 전극으로 작동합니다.

이러한 특성 덕분에 부유식 발생기는 방울당 약 250볼트의 피크 전압을 생성하며, 이는 전통적인 금속 기반 강직 설계와 동등한 성능을 보여줍니다.

설계는 또한 내구성이 뛰어나며, 다양한 염도(최대 500 mM NaCl), 온도 및 야외 호수 물(생물 부착) 노출 조건에서도 성능을 유지했습니다—이는 해양 장치에 큰 문제인 생물 부착을 크게 감소시킵니다.

많은 에너지 장치가 가혹한 환경에서 성능이 저하되는 반면, 부유식 발생기는 물 기반 구조의 회복력과 유전체 층의 화학적 관성 덕분에 안정적으로 작동합니다.

고염도 물에서 테스트했을 때, 발생기는 일주일간 배치된 후에도 기능을 유지했습니다. 그리고 이물질이 쌓이면 간단히 청소하면 최대 성능을 회복합니다.

장치의 안정성을 더욱 높이기 위해 팀은 물의 높은 표면 장력을 활용해 물이 한 방향으로만 아래로 흐르도록 배수 구멍을 설계했습니다. 따라서 중력과 표면 장력을 이용해 오염 물질 축적을 완화하고 자체 조절 시스템으로 과도한 물방울을 제거해 물 축적을 방지함으로써 출력 감소를 방지합니다.

부유식 W-DEG의 또 다른 핵심 측면은 확장성입니다. 연구팀은 0.3 m² 크기의 장치를 선보였으며, 이는 이전에 보고된 것보다 훨씬 큰 드롭릿 발생기입니다. 각 발생기는 방울당 약 250볼트를 생산해 50개의 LED를 동시에 구동할 수 있습니다.

또한 시스템은 몇 분 안에 커패시터를 유용한 전압으로 충전할 수 있었습니다. 팀은 10개의 W-DEG 장치를 시범 운영하며 120개의 모의 강우 장치를 사용해 인공 강우를 만들고, 커패시터를 3볼트까지 충전해 무선 센서와 소형 전자기기의 전원 공급 가능성을 입증했습니다.

추가 개발을 통해 이러한 시스템은 호수, 저수지 또는 해안 지역에서 토지를 차지하지 않고 재생 전기를 수확하는 데 활용될 수 있습니다.

“물 자체가 구조적 및 전기적 역할을 동시에 수행하도록 함으로써, 우리는 경량, 비용 효율적, 확장 가능한 드롭릿 전기 발생 전략을 열었습니다.”라고 공동 저자인 Wanlin Guo 교수가 말했습니다. “이는 태양광 및 풍력과 같은 다른 재생 기술을 보완할 수 있는 토지 없는 수력볼타ic 시스템의 문을 엽니다.”

빈번한 강우가 있는 지역에서는 부유식 드롭릿 전기 발생기가 오프그리드 애플리케이션에 전력을 공급하거나 지역 전력망을 보조하는 분산형 에너지 솔루션을 제공할 수 있습니다.

전통적인 드롭릿 발생기의 경우 제곱미터당 약 210위안(약 $29.50)이며 무게가 4kg(약 8.818파운드) 이상이지만, 팀의 부유식 버전은 약 106위안(15달러 이하)이고 무게는 0.5kg(1.1파운드)만 합니다.

빗물 수집 외에도, 이 장치는 물 표면에 자연스럽게 떠 있을 수 있는 기능 덕분에 다양한 수생 환경에 배치되어 오염, 수질, 염도 등을 모니터링하는 환경 감시 시스템에 전력을 공급할 수 있습니다.

그의 ‘자연 통합 설계’는 풍부한 자연 재료를 기능성 부품으로 활용하는 새로운 접근법을 제시하며, 친환경 기술에 영감을 줄 수 있습니다.

하지만 장치를 대규모로 배치하기 전에 해결해야 할 과제가 있습니다. 실제 비방울의 크기와 속도 다양성으로 인해 장치 성능이 영향을 받을 수 있습니다. 또한, 대형 유전체 필름의 내구성을 보장하기 위해 추가 엔지니어링이 필요합니다.

이러한 과제에도 불구하고, 실험실 결과는 유망하며 효율적이고 내구성 있으며 확장 가능한 부유식 DEG(W-DEG) 프로토타입 시연은 실용적인 적용을 향한 중요한 단계입니다.

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2025년 3분기 실적에서 “강력한 실행과 수요”를 보고했으며, 이는 총 매출 23억 달러를 기록했습니다. 순이익은 2억 2700만 달러(주당 0.93달러)이며, 마진은 30베이시스 포인트 감소해 10%가 되었습니다. 조정 순이익은 3억 3300만 달러(주당 1.37달러)였습니다.

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결론

지구의 생명 원천인 물은 강력한 재생 에너지 형태입니다. 이 잠재력을 활용하는 유망한 방법은 수력볼타ic 기술입니다. 물의 간단한 움직임과 상호작용을 전기 에너지로 변환하려는 연구는 자연스럽게 하늘에서 떨어지는 비방울을 이용하는 드롭릿 기반 전기 발생기의 혁신을 이끌어 왔으며, 이는 완전히 무료입니다.

최신 부유식 드롭릿 발생기는 물 통합, 저비용 솔루션이 센서, 원격 시스템 및 마이크로그리드를 전력 공급하면서 자연과 조화를 이루는 재생 에너지 미래를 향해 나아가고 있음을 보여줍니다.

참고문헌

1. Yin, J., Zhou, J., Fang, S. & Guo, W. Hydrovoltaic Energy on the Way. Joule 4, 1852–1855 (2020). https://doi.org/10.1016/j.joule.2020.07.015
2. Xu, W., Zheng, H., Liu, Y. et al. A droplet-based electricity generator with high instantaneous power density. Nature 578, 392–396 (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-020-1985-6
3. Li, Z., Wang, X., Liu, Y., et al. A droplet-based electricity generator for large-scale applications. Cell Reports Physical Science 3, 100521 (2022). https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2022.100521
4. Li, Z., Chen, S., Fu, Y. & Li, J. Efficiency optimization for large-scale droplet-based electricity generator arrays with integrated microsupercapacitor arrays. Nature Communications 16, 8530 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-64289-y
5. Deng, W., Wang, Z., Wang, J., Hu, T., Wang, X., Li, X., Yin, J. & Guo, W. Floating droplet electricity generator on water. Natl Sci Rev. 12, 11 (2025). https://doi.org/10.1093/nsr/nwaf318