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‘수중 자가 발전기’에너지 생성 메커니즘 밝혀졌다

생기원·한양대·화학(연) 공동 연구팀,‘수중 자가 발전기 이온 현상’규명

에너지 분야 국제학술지‘Advanced Energy Materials’게재

□ 해양용 센서부터 혈액 내 단백질을 분석하는 바이오센서에 이르기까지 수중에서의 전기에너지 발전기술 수요가 커지고 있다.

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

ㅇ 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 있다.

□ 한국생산기술연구원(원장 이상목, 이하 생기원)이 한양대학교, 한국화학연구원과 함께 ‘수중 자가 발전기’ 에너지 생성 메커니즘을 규명, 다양한 수중 환경에서의 자가 발전기 설계 원천기술을 확보했다.

ㅇ 수중 자가 발전기는 전극과 전해질로 구성되는데, 전극과 전해질의 상호작용을 해석해 발전기 성능 향상을 위한 에너지 생성 메커니즘을 제시한 것은 공동 연구팀이 처음이다.

□ 생기원 섬유솔루션부문 김시형 선임연구원은 한양대학교 기계공학과 최준명교수, 한국화학연구원 고기능고분자연구센터 김현 선임연구원 연구팀과 공동으로 수중에서의 전기에너지 생성 원리인 ‘피에조아이오닉 효과(Piezoionic Effect)’를 규명했다고 밝혔다.

ㅇ 피에조아이오닉 효과는 전해질 내에 담긴 물체에 기계적 압력을 가했을 때 물체 내에서 일어나는 이온의 이동현상을 말한다.

ㅇ 전기 에너지 생산을 위해 전자 대신 이온을 활용하는 기술은 세계적으로도 아직 초기 단계에 머물러 있다.

□ 공동 연구팀은 전해질의 특성을 결정하는 이온에 주목, 염화이온을 기반으로 하는 다양한 염화물 내에서 이온의 특성과 수중 자가 발전기의 에너지 생성 상호관계를 분석했다.

ㅇ 그 결과 이온 전도도가 높을수록 수중 자가 발전기의 성능이 우수하다는 사실을 확인했다.

ㅇ 또한 밀도범함수이론*을 접목해 수화**된 이온의 구조적 강도가 낮을수록 성능이 우수하다는 점도 확인했다.

* 밀도범함수이론 : 분자 내부의 전자 모양과 그 에너지를 양자역학으로 계산하기 위한 이론

** 수화(Hydration) : 수용액 속에서 용해된 이온을 물 분자가 둘러싸고 상호작용하면서 하나의 분자처럼 움직이는 현상

ㅇ 특히 분자 동역학 시뮬레이션을 통해 외부 압력이 가해졌을 때의 이온 입·출입 상황을 정확하게 모사함으로써 피에조아이오닉 효과를 분자 스케일에서 재확인하는 데 성공했다.

ㅇ 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 됐다.

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

ㅇ 한편 이번 연구 성과는 지난 2월 재료 및 에너지 분야 국제 학술지 ‘어드밴스드에너지 머터리얼즈(Advanced Energy Materials, IF: 29.698)’에 게재되었다.

* 논문명: Understanding piezoionic effects in chemo-mechanical energy harvesting by carbon nanotube yarn twists (DOI: 10.1002/aenm.202303343)