탄소섬유 복합재 기반 물방울 발전기를 개발한 울산과학기술원 기계공학과 박영빈 교수. 울산과학기술원 제공

울산과학기술원(UNIST)은 기계공학과 박영빈 교수팀이 탄소섬유 복합재 기반 물방울 발전기(액적 발전기)를 개발했다고 15일 밝혔다.

이 발전기는 빗방울이 복합재 표면에 닿았다 빠르게 떨어지는 순간 전기를 만든다. 빗방울은 양전하를, 복합재 표면은 음전하를 띠는데 빗방울이 접촉했다 떨어지는 순간 전하 입자가 탄소섬유를 타고 이동하면서 전기가 흐른다. 정전기와 흡사한 원리다.

기존 금속 기반 물방울 발전기는 빗속 오염물질에 쉽게 부식되는 문제가 있었는데, 박 교수팀은 탄소섬유 복합재를 사용해 부식 문제를 해결했다. 또 복합재 표면을 특수 가공하고 코팅제를 입혀 발전기 성능을 높였다. 빗방울 접촉 면적은 넓히되, 빗방울이 빠르게 구슬처럼 변해 표면에서 굴러떨어지도록 만든 것이다. 코팅제는 도심 오염물이나 매연이 달라붙는 것도 막을 수 있어 야외에 설치된 발전기가 성능을 오래도록 유지할 수 있다.

박 교수팀은 실험을 통해 이 발전기가 약 92μL(마이크로리터) 크기의 빗방울 하나가 떨어질 때 최대 약 60V의 전압과 수μA(마이크로암페어) 수준의 전류를 생산하는 것을 확인했다. 또 발전기 4개를 직렬로 연결해 발광다이오드(LED) 전구 144개를 순간적으로 점등하는 데 성공했다.

이 발전기를 지붕 모서리나 배수 덕트에 부착해 강우량을 실시간으로 감지하는 시연도 했다. 빗방울이 많이 떨어질수록 전기 신호가 더 자주 발생했고, 이 신호를 기준으로 배수펌프를 켜는 방식이다. 약한 비, 보통 비, 강한 비 상황에 따라 펌프 작동 횟수가 달라져 침수 상황을 구분할 수 있게 된다.

박 교수는 “별도 외부 전원 없이 빗물만으로 건물이나 교량 같은 도시 기반 시설을 관리하고 침수 피해를 예방하는 데 기여할 뿐만 아니라 향후 항공기나 자동차 등 탄소섬유 복합재가 들어가는 모빌리티에 자가 전원 기술로 쓸 수 있을 것”이라고 말했다.

이번 연구 결과는 지난달 20일 국제 학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머터리얼즈’(Advanced Functional Materials)에 온라인판에 실렸다.