이번 연구를 수행한 공동연구팀. 김건중(왼쪽부터) 박사, 김시형 생기원 박사, 김현 화학연 박사.[한국생산기술연구원 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 최근 해양용 센서부터 혈액 내 단백질을 분석하는 바이오센서에 이르기까지 수중에서의 전기에너지 발전기술 수요가 커지고 있다.

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.

한국생산기술연구원은 한양대학교, 한국화학연구원과 함께 ‘수중 자가 발전기’ 에너지 생성 메커니즘을 규명, 다양한 수중 환경에서의 자가 발전기 설계 원천기술을 확보했다.

수중 자가 발전기는 전극과 전해질로 구성되는데, 전극과 전해질의 상호작용을 해석해 발전기 성능 향상을 위한 에너지 생성 메커니즘을 제시한 것은 이번이 최초다.

생기원 섬유솔루션부문 김시형 박사 연구팀은 한양대학교 기계공학과 최준명 교수, 한국화학연구원 고기능고분자연구센터 김현 박사 연구팀과 공동으로 수중에서의 전기에너지 생성 원리인 ‘피에조아이오닉 효과(Piezoionic Effect)’를 규명했다.

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

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

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

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

또한 밀도범함수이론을 접목해 이온의 구조적 강도가 낮을 수록 성능이 우수하다는 점도 확인했다.

다양한 전해질 환경 맞춤형 하베스터 디자인.[한국생산기술연구원 제공]

특히 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 됐다.

김시형 박사는 “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 발전 뿐 아니라 의류형·인체 삽입형 등 다양한 환경 맞춤형 수중 자가 발전기 개발이 가능해졌다”고 설명했다.

이번 연구성과는 재료 및 에너지 분야 국제학술지 ‘어드밴스드에너지 머터리얼즈’ 2월 게재됐다.