울산과학기술원(UNIST)은 빗방울로 전기를 생산하는 탄소 섬유 복합재 기반 물방울 발전기를 개발했다고 15일 밝혔다.

박영빈 기계공학과 교수팀이 개발한 이 발전기(S-FRP-DEG)는 지붕으로 떨어지는 빗물을 활용해 전기를 만들어 폭우 상황에서 배수 장치나 경보 시스템을 가동할 수 있게 한다.

탄소 섬유 복합재는 탄소 섬유 다발을 플라스틱 수지에 섞은 소재로 가벼우면서도 강해 건물 지붕 같은 외장재로 활용된다. 발전 원리는 정전기와 유사하다. 양전하를 띤 빗방울이 음전하를 띤 복합재 표면에 접촉했다 떨어지는 순간 전하 입자가 탄소 섬유를 타고 이동하면서 전기가 흐른다.

연구팀은 기존 금속 기반 물방울 발전기가 빗속 오염물질로 쉽게 부식되는 문제를 부식에 강한 탄소 섬유 복합재를 사용해 해결했다.

복합재 표면을 특수 가공한 뒤 코팅재를 입혀 발전 성능도 높였다. 미세한 요철이 가공된 표면은 빗방울의 접촉 면적을 넓히고, 코팅재는 표면을 연꽃잎처럼 만들어 빗방울이 빠르게 구슬처럼 변해 굴러떨어지도록 했다. 코팅재는 도심 오염물이나 매연 부착도 막아 야외 설치 시 성능을 오래 유지할 수 있다.

실험 결과, 약 92μL 크기의 빗방울 하나가 떨어질 때 최대 약 60V의 전압과 수 μA 수준의 전류가 생산됐다. 발전기 4개를 직렬로 연결하자 LED 전구 144개를 순간적으로 점등하는 데 성공했다.

연구팀은 발전기를 지붕 모서리나 배수 덕트에 부착해 강우량을 실시간으로 감지하는 시연도 진행했다. 빗방울이 많이 떨어질수록 전기 신호가 더 자주 발생했고, 이를 기준으로 배수 펌프를 작동시키는 방식이다. 약한 비, 보통 비, 강한 비 상황에 따라 펌프 작동 횟수가 달라져 침수 상황 구분이 가능해진다.

박영빈 교수는 "이 기술은 별도의 외부 전원 없이 빗물만으로 건물이나 교량 같은 도시 기반 시설을 관리하고 침수 피해를 예방하는 데 기여할 뿐만 아니라, 앞으로 항공기나 자동차 등 탄소 섬유 복합재가 들어가는 모빌리티의 자가 전원 기술로 쓸 수 있을 것"이라고 말했다.

이번 연구에는 이성환 박사와 김재진 연구원이 제1저자로 참여했다. 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단(NRF) 중견 연구자 지원 사업을 통해 수행됐으며 그 결과는 소재 분야 국제 학술지인 어드밴스드 펑셔널 머터리얼즈(Advanced Functional Materials)에 11월 20일 온라인 공개됐다.