배터리와 담수화 장치의 전기 효율을 향상할 수 있는 전류 흐름 밝혀내
국내 연구진이 다학제간 융합연구를 통해 액체에서의 전류 흐름 현상 규명하여 초고전력의 나노막 전기화학 장치*를 개발할 수 있는 가능성을 열었다. 본 성과는 사물인터넷(IoT)의 근간이 되는 차세대 배터리 개발과 음용수 생산에 필수적인 담수화 장치의 전기효율 향상에 기여할 것으로 기대된다.
* 나노막 전기화학 장치: 머리카락 두께의 1/100 이하의 구멍을 갖는 얇은 막에 전기를 인가하여 전기화학 반응을 유도하는 장치로써 전기를 생산하는 배터리나, 전기를 소모하는 담수화 장치 등이 있다.
서울대학교 전기정보공학부 김성재 교수가 주도하여 전기정보, 신소재, 화공, 기계 등 다학제간 협업으로 수행된 본 연구 결과는 미래창조과학부와 한국연구재단의 신진연구자사업과 보건복지부의 지원으로 수행되었으며, 세계적으로 권위 있는 학술지인 “피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)”*에 3월 16일 온라인 판에 게재되었다.* 논문명: Experimental verification of Overlimiting Current by Surface Conduction and Electro-osmotic Flow in Microchannels
연구진은 액체의 흐름을 관측할 수 있는 나노유체역학장치*를 이용하여 액체를 통해 흐르는 전기가 액체 내부뿐만이 아니라 대부분 고체 표면을 따라 흐르는 현상을 규명하였다. 이러한 결과는 액체 내 전기흐름을 다루는 장치에서 액체와 접촉하는 고체 표면적을 증가시킴으로써 장치의 전기적 효율이 크게 증가하는 메커니즘으로 응용될 수 있다.
* 나노유체역학 장치: 나노막이 포함된 초소형 장치에서의 액체의 흐름을 관측할 수 있는 장치
액체에서 전류흐름의 원리를 보면, 액체가 흐르며 고체에 접촉할 시에 액체와 고체가 닿는 계면에 얇은(나노미터 수준) 전기 이중층이 형성된다. 이 때 전류는 액체로 흐르는 것과 전기 이중층 내부로 흐르는 것으로 구분된다. 센티미터 이상의 일반적 크기에서는 발생하는 전기 이중층은 두께가 매우 얇기 때문에, 표면적으로는 대부분 액체로 흐르는 것으로 보인다. 학자들은 전기 이중층 내부를 통해 흐르는 전류의 세기에 주목해 왔으나, 그 전류량과 강도에 대한 실험적 증거를 찾지 못하였다.
본 연구진은 나노유체역학 장치를 효율적으로 제작하여 계면을 따라서 전기 이중층 내부로 흐르는 전류량이 액체 중심을 통과하는 전류량보다 지배적이라는 것을 실험적으로 증명함으로써, 액체를 통한 전류의 새로운 통로를 규명하였다.
김성재 교수는 “본 연구는 전기가 잘 통하는 액체도 나노구조물 내에서는 반도체로 활용될 수 있음을 입증하였으며, 전기를 생산하는 배터리나 전기를 소모하는 담수화 장치 등의 전기적 효율을 크게 향상 할 수 있는 핵심 기술로 활용될 수 있다”고 연구 의의를 밝혔다.
연 구 결 과 개 요
1. 연구배경
일반적으로 물과 같은 액체는 전기를 통하는 물질이며 액체 내의 이온의 흐름으로 전류가 형성된다. 액체와 인접할 경우 고체 표면은 전하를 띠게 되며 이를 중성화시키기 위해 액체내의 이온들이 계면으로 이동하게 되어 전기적 중성이 깨진 층을 형성하게 되고 이를 전기이중층이라고 명명한다. 전기이중층은 나노미터 스케일의 층으로 일반적인 액체관(microchannel)에서는 그 영향이 미미하다. 이때 액체 내를 흐르는 전류는 그림 1(그림설명 참조)에서와 같이 (1) 액체 중심으로 유체의 흐름에 의한 대류 전류와 (2) 액체/고체 표면의 전기이중층을 흐르는 표면 전류로 구분된다. 따라서 표면 전류 흐름을 확인하기 위해서는 나노미터 수준의 구조물을 제작하고 이에 대한 전압-전류 특성을 측정하여 분석할 필요가 있다.
2. 연구내용
그림 2과 같이 마이크로미터 크기의 채널과 나노미터 크기의 채널이 복합된 시스템을 구성하고 액체관의 단면적은 동일하게 하고 전압-전류 특성을 측정하여 액체관의 깊이에 따른 시스템의 전도도를 계산하면 그림 3과 같은 그래프를 얻을 수 있다. 여기서 액체관의 깊이가 증가하면 전도도가 증가하는 일반적인 경향을 보이나, 액체관의 깊이가 10마이크로미터 이하로 감소하는 경우 오히려 전도도가 증가하는 현상을 보인다. 이는 액체관의 단면적을 일정하게 유지하였기 때문에 액체관의 표면적이기 증가하고 표면 전류가 지배적으로 흐르기 때문이다.
3. 기대효과
이온 전류의 흐름은 액체가 포함되고 이에 전기장을 인가하는 대부분의 시스템에서 가장 중요한 기작이다. 전기를 생산하는 배터리에서부터 전기를 소모하는 해수담수화 장치 등에 폭넓게 적용되고 있으며 이러한 장치들의 전력 특성을 분석하는데 핵심 기작으로 활용될 수 있다. 예를 들어 표면적을 넓히게 되면 낮은 전압에서 높은 전류량을 얻을 수 있으며 이와 동시에 액체의 불안정성도 억제할 수 있다.
연 구 결 과 문 답
이번 성과 뭐가 다른가
액체를 통해 흐르는 전류보다 액체/고체 계면으로 흐르는 전류가 지배적이라는 기작의 최초 실험적 증명
어디에 쓸 수 있나
전기를 생산하는 배터리나 전기를 소모하는 담수화 장치 등의 전력 소모 효율을 획기적으로 증진할 수 있는 기반 기술로 활용
실용화까지 필요한 시간은
약 3 여년 정도
실용화를 위한 과제는
실제 상용화된 나노막 시스템에 적용하여 시험 가동 테스트
연구를 시작한 계기는
인류 삶의 향상에 기여할 나노막 전기화학 장치 개발의 핵심 물리적 기작을 밝히기 위함
에피소드가 있다면
2년 여 간의 상당한 기간 동안 논문 리뷰 과정을 거치면 2차례 게재 거절을 받았지만 포기하지 않고 추가 실험을 통해 본 기작의 중요성을 입증하였음.
꼭 이루고 싶은 목표는
인간 생활에 필수적인 물이나 에너지 문제를 해결할 수 있는 단초를 연구하고 싶음
신진연구자를 위한 한마디
상용화와 산업화만을 추구하기 보다는 근간이 될 수 있는 핵심 기술 창조를 우선시 하는 연구 자세를 갖기를 바람
용 어 설 명
1. PHYSICAL REVIEW LETTERS 誌
. 전문 과학기술 분야에서 최고의 권위지 (인용지수: 7.728)
2. 나노막 전기화학 장치 (nanoporous electrochemical device)
. 머리카락 두께의 1/100 이하의 구멍을 갖는 얇은 막에 전기를 인가하여 전기화학 반응을 유도하는 장치로써 전기를 생산하는 배터리나, 전기를 소모하는 담수화 장치 등이 있다.
3. 나노유체역학 장치 (nanofluidic device)
. 나노막이 포함된 마이크로 크기의 유체 장치에서 액체의 흐름을 이용하여 액체의 특성을 증명하거나 BT/ET/NT 등 다양한 공학적 플렛폼으로 적용 가능한 장치
그 림 설 명
[그림1 설명] 마이크로채널 내부를 흐르는 전류. 액체 내부를 흐르는 전류는 전기이중층을 따라 흐르는 표면 전류와 전해질 유체 중심을 흐르는 대류 전류로 나뉘며, 시스템의 크기에 따라 표면 전류가 지배적임을 증명함
[그림2 설명] 나노 구조물이 포함된 나노유체역학 장치. 마이크로미터 크기의 액체관과 나노막이 복합적으로 연결된 장치. 두 개의 액체관이 나노 구조물로 연결되어있으며 그림2(b)는 현미경으로 관찰한 사진임
[그림3 설명] 액체관의 깊이에 따른 시스템의 전도도 변화 그래프. 액체관의 깊이가 증가할수록 전도도가 증가하는 기존의 사실(파란선 참조)과 더불어 깊이가 감소할 경우에도 전도도가 증가하는 현상(빨간선 참조)을 표현한 V형 전도도 그래프. 이때 표면 전류는 시스템 크기에 –1제곱에 비례하고(빨간선 참조), 대류 전류는 시스템 크기에 4/5제곱에 비례함(파란선 참조)
