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.
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