요약:
SUNY Binghamton 연구팀은 공기 중 수분을 흡수하고 실내 습도 변화를 완충하면서 소량의 전기를 생성하는 종이 기반의 '흡습성' 벽지를 개발했습니다. 관련 연구는 Advanced Energy Materials에 게재되었습니다. 연구팀은 목표는 그리드나 옥상 태양광 발전을 대체하는 것이 아니라 환경 센서, 무선 모듈 등 저전력 사물 인터넷 장치에 전력을 공급하고 벽이 에너지 수집과 습도 조절 기능을 모두 갖도록 하는 방안을 모색하는 것이라고 밝혔습니다.
이 프로토타입은 시중에서 판매되는 벽지는 아니지만 약 340 마이크론 두께의 실험실 크로마토그래피 용지를 기반으로 합니다. 약 2cm 정사각형의 발전 장치는 세 부분으로 나뉩니다. 가장자리는 공기 중 수증기를 흡수하는 역할을 하는 글리세린으로 코팅되어 있습니다. 중간 부분에는 폴리비닐피롤리돈(PVP)이 함유되어 있어 더 작은 기공과 강력한 수분 흡수력을 이용해 수분을 내부로 유도합니다. 중심부는 왁스로 처리되어 액체 상태의 물은 통과하기 어렵지만 수증기는 여전히 미세기공을 통해 빠져나갈 수 있습니다. 연구진은 흑연 잉크로 전극을 만들고 은 페이스트로 채워진 레이저 비아를 통해 장치를 연결했으며 회로는 종이 뒷면에 숨겨져 있습니다.
전기는 수분 흡수, 내부 물 이동 및 중앙 증발의 지속적인 과정에서 발생합니다. 물 분자는 글리세린, 셀룰로오스 및 PVP의 화학 그룹과 상호 작용하여 양성자를 방출하고 가장자리와 중앙 사이에 이온 농도 차이를 형성하여 하전 입자가 이동하고 전압을 설정하도록 유도한 다음 흑연 전극이 전류를 수집합니다. 연구팀은 흡습 구역을 주변에 배치하고 증발 구역을 중앙에 배치하여 수분이 시트 표면을 따라 방향적으로 이동할 수 있도록 했습니다. 왁스 층은 완전히 밀봉되지는 않지만 선택적으로 액체 물을 차단하고 수증기가 빠져나가도록 허용하여 습도 구배를 유지합니다.
상대 습도 80%의 테스트 조건에서 단일 장치는 약 0.34V의 전압을 생성하며 최대 전력 밀도는 제곱센티미터당 약 2.2마이크로와트입니다. 이는 전체 4제곱센티미터 장치 공간을 기준으로 제곱센티미터당 약 0.55마이크로와트입니다. 출력은 약 90분 동안 안정적으로 유지됩니다. 습도가 높을수록 장치가 더 많은 수분을 흡수하고 전체적으로 출력이 강해집니다. 10개의 장치를 직렬로 연결하면 상대습도 80%에서의 전압은 약 2.9V입니다. 10개의 장치를 병렬로 연결하면 전류는 약 240μA입니다. 논문에서는 전체 벽지 공간의 전력 밀도가 여전히 낮으며 기존 기하학적 디자인이 아직 전체 출력에 최적화되지 않았다고 지적합니다.
이후 연구팀은 1,596개 유닛으로 더 큰 어레이를 구성하고 상대습도 약 38%에서 15분 만에 실내 습도를 약 32%까지 낮추고 무선 키보드에 전원을 공급하는 것을 시연했습니다. 데모에서는 키보드가 작동할 때 충전을 해제하기 위해 커패시터 에너지 저장 장치를 사용했습니다. 소규모 실험에서는 35개 장치가 약 15분 동안 습도 센서에 전원을 공급했습니다. 또한 연구에서는 30 × 30 × 15cm 밀봉 상자에 담긴 습도 완충 장치를 테스트했습니다. 28개 유닛은 약 4분 만에 습도를 75%에서 50%로 줄였습니다. 흡습성 종이는 건조한 공기 중의 수분을 방출하여 약 16분 만에 습도를 15%에서 20%로 상승시킬 수 있습니다. 이러한 결과는 통제된 실험에서 나온 것이며 집 전체에 대한 장기적인 제습 또는 전력 성능으로 직접 해석될 수 없습니다.
팀은 왁스 인쇄, 스프레이, 스크린 인쇄 및 레이저 가공을 사용하여 전체 공정 인쇄를 달성하기를 희망하며 앞으로 생산을 확장할 수 있는 기회가 있을 것이라고 믿습니다. 그러나 현재 실험실 논문은 여전히 사용되고 있으며 연구에서는 아직 제품 등급 내구성, 장기 사이클링 안정성 또는 다양한 환기 조건에서의 실제 가정 성능을 입증하지 못했습니다. 연구진은 또 습도가 높을수록 수분 흡수와 발전량이 늘어날 수 있지만, 상대습도가 90~95%에 가까워지면 중앙 증발에 필요한 수증기압 차이가 약해지고 출력이 정체되거나 심지어 감소하는 경향이 있을 수 있다고 지적했다.
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