한국생산기술연구원은 섬유솔루션부문 김시형 선임연구원이 전극과 전해질로 구성되는 '수중 자가 발전기'의 에너지 생성 메커니즘을 규명해 다양한 수중 환경에 적용할 수 있는 자가 발전기 설계 원천기술을 확보했다고 21일 밝혔다.

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

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 중요하다.

이번에 김시형 연구원은 한양대학교 기계공학과 최준명 교수, 한국화학연구원 고기능고분자연구센터 김현 선임연구원과 함께 수중에서의 전기에너지 생성 원리인 '피에조아이오닉 효과(Piezoionic Effect)'를 규명하는데 성공했다.

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 전 세계적으로 초기 단계에 머물러 있다.

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

분석 결과, 이온 전도도가 높을수록 수중 자가 발전기의 성능이 우수하다는 사실이 확인됐다.

또 밀도범함수이론을 접목해 수화(Hydration)된 이온의 구조적 강도가 낮을 수록 성능이 우수하다는 점도 밝혀졌다.

밀도범함수이론은 분자 내부의 전자 모양과 에너지를 양자역학으로 계산하는 이론이고 수화는 수용액 속에서 용해된 이온을 물 분자가 둘러싸고 상호작용하면서 하나의 분자처럼 움직이는 현상이다.

특히 공동연구팀은 분자 동역학 시뮬레이션을 통해 외부압력이 가해졌을 때의 이온 입·출입 상황을 정확하게 모사, 피에조아이오닉 효과를 분자 수준에서 재확인하는 데 성공했다.

이로 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.

이번 연구 성과는 지난달 재료 및 에너지 분야 국제 학술지 '어드밴스드 에너지 머티어리얼스, IF: 29.698'에 게재됐다. 논문명 Understanding piezoionic effects in chemo-mechanical energy harvesting by carbon nanotube yarn twists

김시형 선임연구원은 "수중 자가 발전기는 물이 있는 곳이면 어디서든 에너지를 만들 수 있어 잠재력이 크지만 설계기술 부재로 실제 적용에는 한계가 있다"며 "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 밝혔다.