'물'만 있으면 어디서든... '수중 자가 발전기' 원천기술 확보

등록 2024.03.21 17:58

수정 2024.03.24 08:30

해양용 센서부터 혈액 내 단백질을 분석하는 바이오센서에 이르기까지 수중에서의 전기에너지 발전기술 수요가 커지고 있는 가운데 국내 연구진에 의해 '수중 자가 발전기' 에너지 생성 메커니즘이 밝혀졌다.

한국생산기술연구원(원장 이상목, 아래 생기원)은 21일 "생기원 섬유솔루션부문 김시형 선임연구원이 한양대학교 기계공학과 최준명 교수, 한국화학연구원 고기능고분자연구센터 김현 선임연구원 연구팀과 공동으로 '수중 자가 발전기' 에너지 생성 메커니즘을 규명, 다양한 수중 환경에서의 자가 발전기 설계 원천기술을 확보했다"면서 "수중에서의 전기에너지 생성 원리인 '피에조아이오닉 효과(Piezoionic Effect)'를 규명했다"고 밝혔다.

이어 생기원은 "피에조아이오닉 효과는 전해질 내에 담긴 물체에 기계적 압력을 가했을 때 물체 내에서 일어나는 이온의 이동현상을 말한다"면서 "전기 에너지 생산을 위해 전자 대신 이온을 활용하는 기술은 세계적으로도 아직 초기 단계에 머물러 있다"고 강조했다.

'수중 자가 발전기'는 전극과 전해질로 구성되는데, 전극과 전해질의 상호작용을 해석해 발전기 성능 향상을 위한 에너지 생성 메커니즘을 제시한 것은 생기원, 한양대, 화학(연) 공동 연구팀이 처음이다.

생기원에 따르면, 수중 전기에너지 발전에는 배터리, 축전기(Capacitor)와 같은 에너지 저장 소자가 쓰인다. 하지만 부식 및 합선 위험이 높고 심해, 극지방 등 극한환경에서는 성능이 저하돼 막대한 충전·교체 비용이 발생한다.

더구나 인공심장박동기(Pacemaker) 등의 체내 삽입형 보조기기의 경우에도 배터리 수명이 다할 때마다 수술로 교체하고 있어 기존 에너지 소자를 대체할 수 있는 수중 자가 발전기 원천기술 확보가 중요해지고 있는 상황이다.

▲수중 자가 발전기 이온현상을 규명한 공동연구팀. 사진 왼쪽부터 김건중 박사(현 삼성전자), 생기원 김시형 선임연구원, 화학연 김현 선임연구원.한국생산기술연구원 제공

이에 공동 연구팀은 전해질의 특성을 결정하는 '이온'에 주목하고, 염화이온을 기반으로 하는 다양한 염화물 내에서 이온의 특성과 수중 자가 발전기의 에너지 생성 상호관계를 분석했다. 그 결과, '이온 전도도'가 높을수록 수중 자가 발전기의 성능이 우수하다는 사실을 확인했다.

또한 연구팀은 분자 내부의 전자 모양과 그 에너지를 양자역학으로 계산하기 위한 이론인 '밀도범함수이론'을 접목해 수화(Hydration)된 이온의 구조적 강도가 낮을 수록 성능이 우수하다는 점도 확인했다. 참고로, '수화'란 수용액 속에서 용해된 이온을 물 분자가 둘러싸고 상호작용하면서 하나의 분자처럼 움직이는 현상을 말한다.

특히 연구팀은 분자 동역학 시뮬레이션을 통해 외부 압력이 가해졌을 때의 이온 입·출입 상황을 정확하게 모사함으로써 피에조아이오닉 효과를 분자 스케일에서 재확인하는 데 성공했다. 이로써 이온이 존재하는 모든 전해질 환경에서 이온의 종류 및 농도에 따라 수중 자가 발전기의 기계적 진동수를 제어해 최적의 성능을 갖는 맞춤형 발전기 설계 원천기술을 확보하게 됐다는 것이 연구팀의 설명이다.

김시형 생기원 선임연구원은 "수중 자가 발전기는 물이 있는 곳이면 어디서든 에너지를 만들 수 있어 잠재력이 큰 반면 설계기술 부재로 실제 적용에는 한계가 있었다"면서 "그동안 규명되지 못했던 이온 현상을 실험 및 계산을 통해 파악할 수 있게 돼 해양에너지 발전뿐 아니라 의류형·인체 삽입형 등 다양한 환경 맞춤형 수중 자가 발전기 개발이 가능해졌다"고 전했다.

한편, 이번 연구 성과는 재료 및 에너지 분야 국제 학술지 <어드밴스드에너지 머터리얼즈(Advanced Energy Materials, IF: 29.698)>에 지난 2월 게재됐다.

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