피카츄가 현실로?… UNIST, 전기가오리 닮은 고전압 배터리 개발 성공

전기가오리는 얇은 전기 세포를 여러 개 쌓아 올려 수백 볼트의 고전압 전기를 만든다. 이 같은 원리를 모방해 고전압을 낼 수 있는 기술이 나왔다.

UNIST 에너지화학공학과 고현협 교수팀은 스스로 전기를 만들 수 있는 0.2㎜의 얇은 전기셀을 개발하고 이 전기셀을 쌓아 올려 100V의 전압을 내는 데 성공했다고 21일 전했다.

연구진 (좌측부터) 고현협 교수, 이승재 연구원, 이영오 박사, 박철홍 연구원. UNIST 제공

전기가오리는 전기 세포 하나당 약 0.1V의 전압만 낼 수 있는데, 이 세포를 쌓는 방식을 통해 100∼200V 전압의 전기를 만든다. 가오리 전기 세포는 동전의 앞뒷면처럼 전하 분포(+,-)가 달라서 이를 차곡차곡 쌓게 되면 건전지를 직렬 연결한 효과를 얻을 수 있기 때문이다.

연구팀은 이러한 구조를 쉽게 모방할 수 있는 0.2㎜의 얇은 전기셀을 만들었다. 전기가오리의 전기세포와 달리 자극 없이도 전기를 만들 수 있는 장점이 있다.

양전하(+) 고분자 박막과 음전하(-) 고분자 박막이 맞닿은 이종(異種) 접합 이중층 구조이기 때문이다. 음전하와 양전하 박막층이 만나 생기는 전기장이 각 박막 내부의 양이온과 음이온을 계면에 몰리도록 하는 원리다. 음이온과 양이온이 경계면에서 대치하게 되면 생체 세포의 막전위처럼 전압이 생긴다. 막전위는 세포막 안팎을 경계로 양이온과 음이온이 대치하면서 생기는 전기적 위치에너지 차이다.

연구팀이 만든 전기셀 하나는 0.71V의 전압을 기록했다. 이는 동일한 전하의 고분자층을 맞붙인 '동종 접합 구조' 대비 전압이 30배 이상 향상된 수치다. 또 전기셀을 전기가오리의 전기세포처럼 위로 쌓아 올려 100V 이상의 고전압을 확보했으며, 이 적층 모듈로 6W급 상용 LED 전구와 전자계산기, 디지털 손목시계를 작동시켰다.

내구성과 환경 적응력도 뛰어났다. 단위 전기셀을 3000회 이상 늘렸다 줄이기를 반복하거나 원래 길이의 1.5배까지 늘어나게 잡아당겨도 전압 손실이 없었으며, 이를 여러 겹 쌓은 상태에서 굽히거나 늘려도 안정적인 성능을 보였다. 또 건조한 환경에서부터 습도가 90%에 달하는 고습 상황까지 주변 습도가 변화해도 급격한 성능 저하 없이 출력을 유지했다.

실제 옷이나 피부에 부착하는 웨어러블 기기로 상용화되었을 때, 지속적인 움직임에도 고장 나지 않고 전력을 공급할 수 있음을 보여주는 대목이다.

이번 연구는 에너지화학공학과 이승재 연구원, 이영오 박사, 박철홍 연구원이 제1저자로 참여했다.

연구팀은 "생체 세포막을 이온이 선택적으로 이동할 때 전압이 발생하는 '막전위' 현상에 착안해 단위 전기셀을 개발하고, 이를 전기가오리처럼 적층해 고전압 전기를 만들어낼 수 있었다"고 설명했다.

고현협 교수는 "별도의 외부 에너지원 없이 소재 내부의 이온 이동을 잘 설계해 고전압을 생성하는 원천 기술"이라며, "바람, 태양, 압력, 온도 차 등에 의존하는 기존 에너지 하베스팅 기술과 달리 외부 자극과 무관해 웨어러블 전원 장치 등의 유지 부담을 줄일 수 있을 것"이라고 밝혔다. 에너지 하베스팅 기술은 통상적인 대규모 발전 방식과 달리, 일상생활에서 버려지는 빛, 진동, 열 등의 미세한 에너지를 포집해 전력으로 변환하는 기술을 말한다.

전기가오리를 모방한 적층형 이온 전기셀 구조. 단위 전기셀의 구조와 적층구조(좌측 하단).

이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단의 과학기술분야 개인기초연구사업, 나노와 소재기술개발사업의 지원으로 수행됐다.

이번 연구 성과는 와일리(Wiley)에서 발행하는 세계적인 에너지 소재 분야 국제학술지인 '어드밴스드 에너지 머터리얼즈(Advanced Energy Materials)'에 지난달 8일 자로 온라인 게재됐다.

영남취재본부 김철우 기자 sooro97@asiae.co.kr
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