국내 연구진이 물속에서 전기 에너지를 만들 수 있는 자가 발전기의 원천기술을 확보했다. 이 기술은 해양용 센서나 혈액 내 바이오센서에 활용될 것으로 기대된다.
김시형 한국생산기술연구원 선임연구원과 최준명 한양대 기계공학과 교수, 김현 한국화학연구원 선임연구원 공동연구팀은 수중 자가 발전기 에너지 생성 메커니즘을 규명해 자가 발전기 설계 원천기술을 확보했다고 21일 밝혔다.
수중 전기 발전은 배터리나 축전기 같은 기존 에너지 저장 소자를 사용하고 있다. 하지만 부식과 합선 위험이 크고, 심해나 극지방처럼 극한 환경에서는 성능이 떨어진다는 문제가 있다. 인공심장박동기 같은 사람 몸속에 넣는 보조기기도 배터리 수명이 다할 때마다 수술로 바꾸는 만큼, 기존 에너지 소자를 대체할 수중 자가 발전기 기술의 중요성이 커지고 있다.
연구팀은 물속에서 전기를 만드는 '피에조아이오닉 효과'의 원리를 밝혔다. 피에조아이오닉 효과는 전해질에 담긴 물체에 압력을 가했을 때 물체 안에서 발생하는 이온 이동 현상을 말한다. 전자 대신 이온을 활용해 전기를 만드는 기술로, 전 세계적으로 연구개발이 초기 단계에 머물러 있다.
연구팀은 염화이온을 기반으로 다양한 염화물 내에서 이온의 특성과 수중 자가 발전기 에너지 사이 상호관계를 분석했다. 분석 결과 이온 전도도가 높을수록 수중 자가 발전기 성능이 우수한 것으로 나타났다. 또 분자 내부의 전자 모양과 에너지를 양자역학으로 계산하는 '밀도범함수이론'을 적용해 이온이 물 분자를 둘러싸 하나의 분자처럼 움직이는 현상인 '수화'의 구조적 강도가 낮을수록 성능이 우수하다는 사실도 확인했다.
특히 분자 동역학 시뮬레이션으로 외부 압력이 가해졌을 때 이온 상황을 정확하게 파악해 피에조아이오닉 효과를 분자 크기에서 확인했다. 연구팀은 전해질 환경에서 이온의 종류와 농도에 따라 수중 자가 발전기의 기계적 진동수를 제어해 최적의 성능을 구현하는 원천기술을 개발했다.
김시형 선임연구원은 "수중 자가 발전기는 물이 있는 곳이면 어디서든 에너지를 만들 수 있어 잠재력이 크다"며 "그동안 밝혀지지 않았던 이온 현상을 파악해 해양에너지 발전뿐 아니라 다양한 환경에서 수중 자가 발전기 개발이 가능해졌다"고 설명했다.
이번 연구 성과는 에너지 분야 국제 학술지 '어드밴스드 에너지 머터리얼즈(Advanced Energy Materials)'에 지난달 게재됐다.
참고자료
Advanced Energy Materials, DOI: https://doi.org/10.1002/aenm.202303343