울산과학기술원, 전기가오리 모방 ‘고전압 전기셀’ 개발

울산과학기술원(UNIST)은 전기가오리의 발전 원리를 응용해 100V 이상의 고전압을 낼 수 있는 전기셀 기술을 개발했다고 21일 밝혔다.

고현협 에너지화학공학과 교수 연구팀은 두께 0.2mm의 얇은 전기셀을 제작하고, 이를 여러 겹 쌓아 올려 100V의 전압을 확보하는 데 성공했다.

전기가오리는 약 0.1V의 전압을 내는 전기 세포를 쌓아올려 100~200V의 전기를 생성한다. 전기 세포의 전하 분포가 달라 이를 적층하면 건전지 직렬 연결과 같은 효과를 낼 수 있다.

연구팀이 개발한 전기셀은 양전하 고분자 박막과 음전하 고분자 박막이 맞닿은 이종 접합 이중층 구조다. 두 박막이 만나 생기는 전기장이 각 박막 내부의 양이온과 음이온을 경계면으로 모이게 하고, 이들이 대치하면서 생체 세포의 막전위처럼 전압이 발생한다.

단일 전기셀의 전압은 0.71V로, 동종 접합 구조 대비 30배 이상 향상된 수치를 기록했다. 이 전기셀을 적층한 모듈로 6W급 상용 LED 전구와 전자계산기, 디지털 손목시계를 구동했다.

내구성 테스트에서도 우수한 결과를 보였다. 전기셀을 3000회 이상 늘렸다 줄이거나 원래 길이의 1.5배까지 잡아당겨도 전압 손실이 없었다. 또 습도 90% 환경에서도 급격한 성능 저하 없이 출력을 유지해 웨어러블 기기로의 상용화 가능성을 입증했다.

이승재 연구원, 이영오 박사, 박철홍 연구원이 제1저자로 참여한 이번 연구는 생체 세포막의 막전위 현상에 착안해 단위 전기셀을 설계했다.

고현협 교수는 "소재 내부의 이온 이동 설계만으로 고전압을 생성하는 원천 기술"이라며 "외부 자극이 필요한 기존 에너지 하베스팅 기술과 달리 웨어러블 전원 장치의 유지 부담을 줄일 수 있을 것"이라고 말했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단의 지원으로 수행됐으며 국제 학술지 '어드밴스드 에너지 머터리얼즈'에 지난해 12월 8일자로 게재됐다.