UNIST "전기가오리 닮은 고전압 발전 기술 개발"

(좌측부터) UNIST 고현협 교수, 이승재 연구원, 이영오 박사, 박철홍 연구원(UNIST 제공. 재판매 및 DB금지)/뉴스1

(울산=뉴스1) 김세은 기자 = 얇은 전기 세포를 여러 개 쌓아 올려 수백 볼트의 고전압 전기를 만드는 '전기가오리'의 원리를 모방한 기술이 나왔다.

고현협 울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과 교수팀은 스스로 전기를 만들 수 있는 0.2㎜의 얇은 전기셀을 개발, 이 셀을 쌓아 올려 100V의 전압을 내는 데 성공했다고 21일 밝혔다.

전기가오리는 전기 세포 하나당 약 0.1V의 전압만 낼 수 있고, 이 세포를 쌓는 방식을 통해 100~200V 전압의 전기를 만든다. 가오리의 전기 세포는 동전의 앞뒷면처럼 전하 분포(+, -)가 달라 이를 차곡차곡 쌓으면 건전지를 직렬 연결한 효과를 얻을 수 있다.

연구팀은 이런 구조를 모방할 수 있는 0.2㎜ 두께의 전기셀을 만들었다. 이 셀은 양전하(+) 고분자 박막과 음전하(-) 고분자 박막이 맞닿은 이종(異種) 접합 2중 층 구조여서 전기가오리의 전기 세포와 달리, 자극 없이도 전기를 만들 수 있다.

연구팀은 "양·음전하 박막층이 만나 생기는 전기장이 각 박막 내부의 양이온과 음이온을 경계면에 몰리도록 하는 원리를 적용했다"며 "이때 생체 세포의 막전위처럼 전압이 생긴다"고 설명했다. '막전위'는 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.

전기가오리를 모방한 적층형 이온 전기셀 구조. 단위 전기셀의 구조와 적층구조(UNIST 제공. 재판매 및 DB금지)/뉴스1

연구팀은 또 전기셀을 전기가오리의 전기 세포처럼 위로 쌓아 올려 100V 이상 고전압을 확보했고, 이 적층 모듈로 6W급 상용 LED 전구와 전자계산기, 디지털 손목시계를 작동시켰다고 설명했다.

아울러 단위 전기셀을 3000회 이상 늘렸다 줄였다를 반복하거나 원래 길이의 1.5배까지 늘어나게 잡아당겨도 전압 손실이 없었으며, 이를 여러 겹 쌓은 상태에서 굽히거나 늘려도 안정적인 성능을 보였다고 연구팀이 전했다.

연구팀은 "건조한 환경에서부터 습도 90%에 달하는 고습 상황까지 주변 습도가 변화해도 급격한 성능 저하 없이 출력을 유지했다"고 부연했다.

고 교수는 "외부 에너지원 없이 소재 내부 이온 이동을 잘 설계해 고전압을 생성하는 원천 기술"이라며 "외부 자극과 무관하게 웨어러블 전원 장치 등의 유지 부담을 줄일 수 있을 것"이라고 밝혔다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단의 과학기술 분야 개인기초연구사업, 나노 및 소재 기술 개발사업의 지원으로 수행됐다. 연구엔 이승재 에너지화학공학과 연구원과 이영오 박사, 박철홍 연구원이 제1저자로 참여했다.

연구 성과는 에너지 소재 분야 국제학술지 '어드밴스트 에너지 머티어리얼즈'(Advanced Energy Materials)'에 온라인판에도 지난달 8일 게재됐다.

syk000120@news1.kr

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