에너지
HydroVoltaics – 증발을 통한 전기 활용
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새로운 연구에 따르면 나노 규모 장치를 사용하여 액체 증발로부터 전기를 수집할 수 있으며, 아직 제대로 활용되지 않은 큰 에너지 잠재력이 밝혀졌습니다.
증발은 자연 현상입니다. 간단히 말하면 액체 표면에서 기체로 변하면서 일어나는 기화 형태입니다. 우리 주변 어디에나 존재하지만 우리는 크게 주목하지 않습니다.
흥미롭게도 지구에 도달하는 태양 에너지의 약 절반이 증발 과정을 주도합니다. 전 세계 물 순환에서 지속적인 에너지 교환을 가능하게 하는 증발은 현재 활용되지 않은 재생 가능한 에너지 원입니다.
지구 표면의 70% 이상을 차지하는 물은 풍부하게 존재하며 화학적, 열적, 운동 에너지 형태로 방대한 에너지를 가지고 있지만 그 중 활용되는 비율은 적습니다. 호수와 저수지에서 자연 증발에 의한 총 발전 잠재력을 살펴보면, 미국만 해도 약 325GW의 발전 잠재력이 추정됩니다. 이는 2015년 미국 전력 생산량의 69% 이상에 해당한다는 것이 연구 결과입니다.
따라서 지난 여러 해 동안 연구자들은 증발 에너지 잠재력을 활용하기 위해 노력해 왔습니다. 이는 자체 전원을 갖는 발전기, 하이브리드 시스템, 탠덤 장치 등 다양한 장치를 통해 탐구되고 있습니다. 특히 나노재료와 나노기술의 발전으로 증발 구동 하이드로볼타ic 장치에 대한 관심이 크게 증가했습니다.
이를 위해 HV 효과에 대해 살펴보겠습니다. 이 효과는 나노구조 재료가 물과 상호 작용하면서 전기를 생성하도록 합니다. 여기서 물은 물방울, 습기, 액체, 증발 등 모든 형태를 포함합니다. 따라서 HV 효과에서는 증발이 장치 내부의 나노채널 내에서 지속적인 흐름을 만들어냅니다. 이 현상은 식물의 미세 모세관에서도 관찰되며, 모세관 압력과 자연 증발의 결합으로 물이 이동합니다.
이 HV 효과에 기여하는 주요 메커니즘은 네 가지이며, 스트리밍, 의사 스트리밍, 이온 구배 확산, 전자 드래그 효과입니다. 하이드로볼타ic 효과는 물 에너지 수집 기술을 확장하고 자체 전원 장치의 제작을 가능하게 합니다.
현재 스위스에 위치한 공립 연구 대학 EPFL(스위스 연방 공과대학 로잔) 연구진은 한국-스위스 과학기술 협력 기금 및 스위스 정부 우수 펠로우십을 통해 스위스 국가 과학 재단(SNSF)의 지원을 받았습니다. EPFL의 실험 시설인 다학제 전자현미경 센터(CIME)와 마이크로나노기술 센터(CMi)도 정제된 물보다 높은 이온 농도를 포함한 액체 증발로부터 전력을 수집하는 연구에 참여하고 있습니다.
하이드로볼타ic 장치는 이미 존재하지만, 나노 규모에서 HV 생산을 지배하는 물리 현상에 대해서는 아직 많이 알려지지 않았습니다. 또한 조건에 대한 기능적 이해가 부족한데, 이 연구는 이를 바로잡고자 합니다.
이번 달 초 Cell Press 저널 Device에 게재된 에너지 기술을 위한 나노과학 연구소(LNET)의 연구는 “염도 의존 인터페이스 현상을 통한 하이드로볼타ic 장치 최적화”라는 제목으로 Giulia Tagliabue와 Tarique Anwar가 수행했습니다.
이 연구는 다중물리 모델링을 활용해 고체-액체 상호작용으로 인한 유체 흐름, 이온 흐름, 정전기 효과를 구체화하고 HV 장치를 최적화하는 것을 목표로 실험했습니다.
공학부 LNET 책임자인 Tagliabue에 따르면, 이 새로운 고도로 제어된 플랫폼 덕분에 하이드로볼타ic 현상을 정량화한 최초의 연구라고 합니다. 이러한 하이드로볼타ic 현상은 다양한 인터페이스 상호작용의 중요성을 보여줌으로써 측정됩니다.
이 과정에서 팀은 하이드로볼타ic 장치가 넓은 염도 범위에서 작동할 수 있다는 중요한 발견을 했습니다. Tagliabue는 이는 최적 성능을 위해 고도로 정제된 물이 필요하다는 기존 믿음과 모순된다고 언급했습니다.
다중물리 모델
최근 나노 규모에서 미세구조화된 물질에서 증발 구동 유체 흐름을 연구한 결과, 열 에너지를 전기 에너지로 전환하는 전기동역학 경로를 통해 재생 가능하거나 친환경 에너지를 생성하는 새로운 방법이 등장했습니다. 여기서 성능 향상은 전극 접촉 최적화에 의해 주도됩니다.
하지만 모델링 도구의 부족과 시스템의 기하학적·화학적 특성에 대한 의문은 이 신흥 기술인 하이드로볼타ic(HV) 장치의 성능과 적용 범위를 제한합니다.
이에 연구진은 정량적 다중물리 모델을 개발하고, 이전에 탐구되지 않았던 표면을 드러내는 규칙적인 실리콘 나노기둥(Si NPs) 배열을 활용했습니다. 특히 연구는 이온 농도와 이온 이동성에 의존하는 표면 전하가 개방 회로 전압(VOC)의 여러 국부 최대값을 결정하며, 이상적인 조건이 전통적인 저농도 기대와 다르다는 것을 발견했습니다.
게다가 구조적 비대칭은 전기적 퍼텐셜을 생성해 HV 성능을 향상시킬 수 있습니다. 또한 연구는 다수의 단가 양이온에 대해 이온 흡착 및 전하 반전이 일어나며, 이를 통해 장치가 높은 농도에서도 작동할 수 있음을 확인했습니다.
연구팀이 개발한 HV 장치는 p형 실리콘 웨이퍼에 에칭된 센티미터 규모의 규칙적인 Si NPs 배열로 구성됩니다. 팀은 콜로이드 리소그래피와 금속 보조 화학 에칭(MACE)을 결합해 나노입자(NP)의 육각 배열 피치를 고정하면서 길이와 직경을 각각 1.23–4.4 μm 및 420–560 nm 범위로 조절했습니다. Si NP 크기를 변경함으로써 필요에 따라 나노채널 기하학과 고체-액체 표면적을 직접 제어할 수 있었습니다.
본 연구의 하이드로볼타ic 장치는 나노구체 콜로이드 리소그래피 기술을 최초로 적용한 사례로, 연구진이 정확히 간격을 맞춘 Si NPs의 육각형 네트워크를 형성할 수 있게 했습니다. 이러한 실리콘 나노기둥 사이의 공간은 유체가 증발하기에 최적의 통로를 만들었습니다. 이는 유체 제한 효과와 고체/액체 접촉 면적을 더 잘 이해하기 위해 정밀하게 조정될 수 있습니다.
LNET의 박사과정 학생인 Anwar는 대부분의 염수 시스템이 양이온과 음이온이 동등하게 존재한다고 설명했습니다. 그러나 유체를 나노채널에 제한하면 “표면 전하와 반대 극성을 가진 이온”만을 얻을 수 있습니다. 따라서 액체가 나노채널을 흐르게 하면 전류와 전압을 생성할 수 있다고 그는 덧붙였습니다.
HV 장치에서 전압과 전류 생성의 근본 메커니즘을 이해하려면 고체-액체 인터페이스 특성과 액체 나노제한, 즉 나노채널 기하학을 제어해야 합니다.
결론적으로, 연구는 0.1 M에서 8 μW/cm²의 높은 전력 밀도 출력을 보였으며, 이는 수돗물로 작동하는 장치와 유사한 전력 출력을 제공하지만 이전에 보고된 것보다 “두 자릿수 높은 농도”를 가지고 있습니다. 이는 염도 범위 전반에 걸쳐 HV 시스템의 적용 가능성을 확대하고, 최적 작동 조건이 독특한 인터페이스 현상에 의해 결정된다는 점을 시사합니다.
Tagliabue는 나노장치의 표면 전하에 대한 화학 평형을 활용하면 염도 스케일 전반에 걸쳐 HV 장치의 작동을 확장할 수 있다고 설명했습니다. 따라서 유체 이온 농도가 상승하면 나노장치의 표면 전하도 증가하여 “고농도 유체와 함께 더 큰 유체 채널을 사용할 수 있게 됩니다. 이는 정제된 물만이 아니라 수돗물이나 해수를 사용하는 장치를 제작하기 쉽게 만든다”고 그녀는 말했습니다.
이와 같이, 연구는 증발 구동 하이드로볼타ic(EDHV) 장치를 최적화하기 위한 핵심 통찰과 설계 도구를 제공하며, 이러한 자체 전원 시스템의 보다 넓은 적용 가능성을 제시한다고 주장합니다.
연구에 따르면 개방 회로 전압(VOC)의 성능 지표는 증발 속도를 높임으로써 향상될 수 있습니다. 표면 전하와 나노제한 기하학에 따라 증발 속도를 5배 증가시키면 VOC가 두 배가 되며, 이는 전력을 최대 네 배까지 증가시킬 수 있음을 의미합니다.
이는 주로 스트리밍 전류의 향상 때문이지만, 이를 확인하려면 이러한 장치의 유체 역학에 대한 보다 심도 있는 이해가 필요합니다.
하이드로볼타ic 장치의 흥미로운 잠재적 응용
수증기는 지구 어디에나 존재하므로 전기 생산과 전 세계 에너지 부족 완화에 큰 기회를 제공합니다. 이를 위해 하이드로볼타ic 장치는 비대칭 구조를 구축하는 등 다양한 방식으로 에너지를 추출할 수 있습니다.
하지만 전력 생산은 액체의 종류와 용액 내 용질 농도 등 액체 특성에 따라 달라집니다. 이는 HV 효과에서 전기 에너지 생성이 액체-고체 인터페이스에 형성되는 전기 이중층(EDL)으로 인한 전하 운반체 축적과 연결되어 있기 때문입니다.
이러한 도전에도 불구하고, 하이드로볼타ic 장치는 다양한 온도와 습도에서 지속적인 증발을 활용할 수 있어 큰 잠재력을 가지고 있습니다. 이는 HV 장치를 전원 공급, 전천후 전력 생산, 물 수집 및 담수화 등 다양한 흥미로운 응용에 적합하게 만듭니다.
연구에 따르면, 담수 조건에서는 낮은 전체 표면 전하와 높은 제한(즉, 작은 나노채널 크기) 하에서 EDL 중첩이 필요합니다. 그러나 표면적이나 전하를 증가시키면 더 큰 나노채널 크기도 가능해집니다.
해수 조건에서는 표면 전하를 제어함으로써 큰 기공 직경(Dp 값 >100 nm)에서 최적화가 가능하며, 이는 나노미터 규모의 기하학적 제한을 방지하고 장치의 확장성을 간소화할 수 있음을 시사합니다.
한편, 높은 염도에서는 고체-액체 인터페이스와 초기 표면 전하를 최소화함으로써 전하 반전을 사용할 수 있습니다. 그러나 이와 같은 높은 농도에서 장기간 작동은 이온 흡착 및 염 결정화 때문에 어려울 수 있습니다. 이는 표면 및 나노구조 기하학 특성에 직접적인 영향을 미치기 때문이며, 연구진은 추가 연구가 필요하다고 밝혔습니다.
연구진은 또한 이 장치의 다양한 잠재력을 탐구하고, 지원 기관들의 도움을 받아 이 신흥 기술을 이해하고 분석하기를 기대하고 있습니다.
지원 기관 중 하나인 스위스 국가 과학 재단(SNSF)은 연방 정부의 위임을 받아 증발 에너지를 활용하고 대·소 규모에서 폐열 회수와 재생 에너지 생산을 위한 완전한 “새로운 패러다임”을 개발하는 것을 목표로 합니다. 여기에는 중앙 유럽에서 가장 큰 호수인 제네바 호수에서 실제 상황에 적용되는 프로토타입 모듈을 설치해 알프스 호수에서의 하이드로볼타ic 발전 데이터를 수집하는 것이 포함됩니다.
SNSF는 오랫동안 에너지 관련 프로젝트를 지원해 왔으며, 이는 미래 활용을 위한 지식과 전문성 개발에 기여합니다. 이러한 프로젝트는 에너지 생산, 저장, 배분 및 관리, 효율성을 포괄합니다.
Tagliabue는 2022년에 SNSF 시작 보조금을 받았으며, 5년 동안 180만 스위스 프랑이 제공됩니다. 이 자금은 팀이 “재생 에너지 생산을 위한 하이드로볼타ic 장치의 나노공학을 확대하는 노력”에 도움이 된다고 Tagliabue는 말했습니다.
그녀는 당시 이렇게 말했습니다:
“필수적인 기본 이해, 모델링 도구, 엔지니어링 전략을 구축함으로써, 이 프로젝트는 증발을 대·소 규모 모두에서 널리 사용되고 안전하며 지속적인 재생 에너지 원으로 만드는 데 혁신적인 기여를 할 것입니다.”
HV 장치는 큰 기회를 제공하며, 액체가 있는 곳이라면 어디든 작동할 수 있어 땀과 같은 경우에도 센서에 활용될 잠재력이 있습니다. 이는 건강·피트니스 웨어러블부터 스마트 TV까지 모든 분야를 포괄합니다.
Tagliabue는 빛과 광열(전자기 복사와 관련) 효과가 HV 시스템에서 표면 전하와 증발 속도를 제어하는 데 어떻게 활용될 수 있는지에 대해 추가로 관심을 가지고 있습니다.
마지막으로, 연구진은 HV 시스템과 깨끗한 물 생산 사이에 공생 관계가 있다고 보며, Anwar는 자연 증발이 담수화 과정에 어떻게 활용되는지 강조했습니다. 증발 표면에서 발생한 수증기를 응축하면 염수에서 신선한 물을 얻을 수 있습니다.
“이제 HV 시스템을 사용해 깨끗한 물을 생산하면서 동시에 전기를 활용할 수 있다고 상상해 볼 수 있습니다.”
– Anwar
결론
에너지와 환경 문제가 지속적으로 악화됨에 따라 효율적이고 유연하며 친환경적인 해결책이 필요합니다. 여기서 하이드로볼타ic 장치는 어디서나 발생하는 물 증발을 이용해 전기를 생성함으로써 큰 도움이 될 수 있습니다.
하지만 이 혁신에도 도전 과제가 있습니다. 이는 실용적인 적용 요구에 미치지 못하는 전력 생산, 실제 환경에서의 안정성 및 내구성에 대한 불확실성, 대규모 통합 적용을 달성하는 데의 장벽으로 나타납니다. 이러한 장애물에도 불구하고, 하이드로볼타ic 재료와 장치에 대한 기술 및 연구는 아직 초기 단계이며, 널리 활용하기 위해서는 보다 진보된 기술과 추가 연구가 필요합니다.
간단히 말해, 하이드로볼타ic 장치는 무시할 수 없는 큰 장점을 가지고 있습니다. 복잡하고 비용이 많이 들며 환경에 해로운 솔루션과 달리, 이는 미래 전력 생산을 위한 새롭고 유망한 방법을 제시합니다. 시간이 지나면서 하이드로볼타ic 장치는 실현 가능한 광범위한 산업으로 성장할 것으로 기대됩니다.
