국내 연구진이 공기방울의 움직임을 이용해 전기에너지를 생산하는 기술을 개발하여 친환경 재생에너지 생산에 기여할 것으로 기대된다. 이 기술을 이용하여 현재 다른 OECD 회원국에 비해 낮은 우리나라의 신재생에너지 보급 비율을 향상시킬 수 있을 것으로 전망하며, 더 나아가 앞으로의 에너지 생산 패러다임을 바꿀 수 있는 잠재력을 보여줄 것으로 기대한다.

국내 연구진이 공기방울의 움직임을 이용해 전기에너지를 생산하는 기술을 개발하여 친환경 재생에너지 생산에 기여할 것으로 기대된다. 단국대 송영석 교수(교신저자)가 주도하고 서울대 윤재륜 교수가 참여한 이번 연구는 미래창조과학부가 추진하는 기초연구사업(신진연구자지원)의 지원으로 수행되었고, 연구 결과는 에너지 분야의 권위지인 나노 에너지(Nano Energy) 1월호 표지 논문으로 게재됐다.

연구팀은 끓는 물이나 떨어지는 폭포수, 탄산음료 등 일상생활에서 흔히 볼 수 있는 공기방울을 자기유체(전기가 흐를 수 있는 액체)에 넣어 전자기장 변화를 줌으로써 친환경 에너지 생산이 가능하다고 밝혔다. 자기유체는 나노(10억분의 1미터) 크기의 산화철이 분산되어 있어 외부 자기장에서는 마치 고체 자석처럼 바뀐다.

이러한 자기유체에 공기방울이 지나가면 산화철 입자가 움직이게 되고 이에 따라 자기장도 변하며 전자기장의 변화는 전자를 유도해 전기에너지를 생산하게 된다.

석탄과 같은 화석연료와 원자력을 대체할 수 있는 무공해 에너지인 태양열(광)·풍력·수력·지열 등은 환경 파괴, 복잡한 장치 및 낮은 효율 등이 문제였다. 그러나 이번 기술개발은 자기유체에 공기방울을 주입하는 환경에 영향을 전혀 주지 않고 매우 간단한 방법을 활용하여 에너지를 얻을 수 있는 친환경 신재생에너지이다.

송영석 교수는 “이 기술은 공기방울을 이용해 에너지를 얻을 수 있는 새로운 전기에너지 생산법으로, 향후 친환경 재생 에너지원으로 기여할 수 있을 것으로 기대한다”고 밝혔다.

‌연구 배경

유가의 불안정과 기후변화협약의 규제 대응 등으로 그 중요성이 커지고 있는 신재생에너지는 향후 고갈되는 화석에너지를 대체 및 지속 가능한 미래 에너지원으로서의 역할이 기대되고 있다.

그림 1. ‌표지 이미지(2015년 volume 11) 
자기유체를 통과하는 공기방울에 의해 전기에너지가 생산됨

일반적으로 신재생에너지는 태양에너지, 생물자원을 변환시켜 이용하는 바이오에너지, 풍력, 수력, 연료전지, 해양에너지, 폐기물에너지, 지열에너지, 수소에너지 등을 의미한다. 국제에너지기구(IEA) 추산에 따르면 2012년 기준 OECD 국가의 평균 신재생에너지 보급 비중은 30.85%를 나타냈다. 우리나라는 1.4%로 OECD 국가 중 최하위를 기록했다. 따라서 국내에서 새로운 형태의 재생에너지 생산 방법의 개발 필요성이 대두되고 있다.

그림 2. ‌자기장의 유무에 따른 공기방울이 받는 힘평형 상태 변화 
외부 자기장이 없을 경우에는 자기 유체내의 공기방울은 부력과 항력이 동일하게 되어 움직이나 자기장이 있을 경우에는

부력은 항복력과 항력이 동일하게 되는 상태에서 움직이게 됨

연구 내용

본 연구에서는 자기유체에 공기방울을 주입, 전자기유도현상에 기반해 전기에너지를 생산했다. 자기유체에는 나노 사이즈의 산화철입자가 분산돼 있어서 외부자기장하에서 자기유체는 마치 고체 자석과 같은 거동을 보인다. 

이러한 자기유체에 마이크로 리터의 공기방울이 지나가게 되면 분산되어 있는 산화철입자가 움직이게 되고 이를 통해 자기유체의 자기장이 변화한다. 코일 내에서 자기유체의 자기장이 시간에 따라서 변화되게 되면 코일에 유도기전력에 의해 전기에너지가 발생하게 된다. 

수확한 전기에너지는 영구자석과 자기유체, 그리고 코일만으로 전기를 생산할 수 있어 환경파괴가 거의 없는 새로운 신재생에너지이다.

또한 본 연구에서는 자기유체 내에서 공기방울의 크기와 속도에 따른 전자기유도에너지의 변화를 실험적으로 분석하였을 뿐만 아니라 이를 수치해석적으로 모델링했다. 이러한 연구는 자기유체의 자기유변학(magnetorheology)적 특성과 공기방울의 수력동력학(hydrodynamics)적 거동에 대한 이해를 도울 수 있었다.

기대 효과

본 연구는 공기방울 동력학에 기반을 둔 신재생에너지 생산방법으로 태양에너지, 바이오에너지, 수력에너지, 풍력에너지, 해양에너지, 지열에너지 등의 기존 재생에너지 방법과 비교해 환경파괴가 낮고 매우 간단한 장치로 구현이 가능한 새로운 형태의 친환경 에너지 생산 방법이다.

이 기술을 이용하여 현재 다른 OECD 회원국에 비해 낮은 우리나라의 신재생에너지 보급 비율을 향상시킬 수 있을 것으로 전망되며, 더 나아가 앞으로의 에너지 생산 패러다임을 바꿀 수 있는 잠재력을 보여줄 것으로 기대한다.

김혜숙 기자 (eltred@hellot.net)