울산과학기술원(UNIST)이 전기가오리의 전기 생성 원리를 모방한 고전압 발전 기술을 개발했다.
UNIST는 고현협 에너지화학공학과 교수팀이 자체로 전기를 만들 수 있는 0.2밀리미터(㎜)의 얇은 전기셀을 개발하고 이 전기셀을 쌓아올려 100볼트(V)의 전압을 일으키는 데 성공했다고 21일 밝혔다.
전기가오리는 얇은 전기 세포를 여러 개 쌓아 올려 수백 볼트의 고전압 전기를 만든다. 전기 세포 하나당 약 0.1V의 전압을 낼 수 있는데, 이 세포를 쌓는 방식으로 100~200V 전기를 만드는 것이다. 가오리 전기 세포는 동전의 앞뒷면처럼 전하 분포(+,-)가 달라서 이를 적층하면 건전지를 직렬 연결한 효과를 얻을 수 있기 때문이다.
고 교수팀은 이러한 구조를 모방할 수 있는 0.2밀리미터의 얇은 전기셀을 만들었다. 이 전기셀은 양전하(+) 고분자 박막과 음전하(-) 고분자 박막이 맞닿은 이종 접합 이중층 구조여서 전기가오리 전기 세포와 달리 자극 없이도 전기를 만들 수 있다. 음이온과 양이온이 경계면에서 만나 대치하면 생체 세포의 막전위처럼 전압이 생긴다. 막전위는 세포막 안팎을 경계로 양이온과 음이온이 대치하면서 생기는 전기적 위치에너지 차이다.
고 교수팀이 만든 전기셀은 하나 당 0.71V의 전압을 일으킬 수 있다. 이는 동일한 전하의 고분자 층을 맞붙인 '동종 접합 구조' 대비 30배 이상 높은 수치다.
고 교수팀은 이 전기셀을 전기가오리 전기세포처럼 위로 쌓아 올려 적층 모듈을 만들고 100V 이상의 고전압을 확보했다. 이어 모듈 실험으로 6W급 상용 LED 전구와 전자계산기, 디지털 손목 시계를 작동하는데 성공했다.
이 전기셀은 내구성과 환경 적응력도 뛰어났다. 단위 전기셀을 3000회 이상 늘렸다 줄였다를 반복하거나 원래 길이의 1.5배까지 늘려도 전압 손실이 없었다. 여러 겹 쌓은 상태에서 굽히거나 늘려도 안정적인 성능을 보였다.
건조한 환경이나 습도가 90%에 달하는 고습 환경에서도 급격한 성능 저하 없이 출력을 유지했다. 옷이나 피부에 부착하는 웨어러블 기기로 상용할 수 있음을 보여주는 대목이다.
고현협 교수는 “별도의 외부 에너지원 없이 소재 내부의 이온 이동 설계만으로 고전압을 만들 수 있는 원천 기술”이라며 “바람, 태양, 압력, 온도차 등에 의존하는 기존 에너지 하베스팅 기술과 달리 외부 자극과 무관하다는 점에서 웨어러블 전원 장치의 사용 및 유지 부담을 줄일 수 있을 것”이라고 말했다.
울산=임동식기자 dslim@etnews.com