전기가오리 흉내 냈더니 ‘찌릿’···UNIST 초박막 전기셀 개발

전기가오리가 세포를 겹겹이 쌓아 강력한 전기를 뿜어내는 원리를 모방해, 별도의 전원 없이도 고전압을 내는 기술이 개발됐다.

울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과 고현협 교수팀은 21일, 전기가오리의 발전 기관을 모사한 0.2㎜ 두께의 초박막 전기셀을 개발하고, 이를 적층해 100V 이상의 고전압을 구현하는 데 성공했다고 밝혔다.

전기가오리는 개당 약 0.1V의 전압을 내는 세포 수천 개를 직렬로 연결해 수백 볼트의 전기를 만든다. 연구팀은 이 원리에 착안, 양전하(+)와 음전하(-) 고분자 박막을 맞붙인 '이종(異種) 접합 이중층 구조'의 전기셀을 고안했다. 이 구조는 내부 이온이 경계면으로 이동하며 발생하는 전위차(막전위)를 이용해, 외부 자극 없이도 스스로 전기를 생산한다.

연구팀이 개발한 전기셀은 개당 0.71V의 전압을 기록해 기존 방식보다 30배 높은 효율을 보였다. 이를 전기가오리처럼 여러 층 쌓아 올린 결과 100V 이상의 고전압을 확보했으며, 실제로 LED 전구와 전자계산기, 디지털 시계 등을 작동시키는 데 성공했다.

특히 내구성이 뛰어나 웨어러블 기기 적용 가능성을 높였다. 3000회 이상 늘렸다 줄여도 성능 저하가 없으며, 습도 90%의 고습 환경에서도 안정적인 출력을 유지했다.

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, 온도차 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.

이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단의 과학기술분야 개인기초연구사업, 나노 및 소재기술개발사업의 지원으로 수행됐다.

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

울산=장지승 기자 jjs@sedaily.com
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