한국생산기술연구원(원장 이상목)이 '수중 자가 발전기' 에너지 생성 메커니즘을 규명, 다양한 수중 환경에서의 자가 발전기 설계 원천기술을 확보했다.
생기원은 김시형 생기원 섬유솔루션부문 선임연구원이 최준명 한양대 교수, 김현 한국화학연구원 고기능고분자연구센터 선임연구원팀과 수중에서의 전기에너지 생성 원리인 '피에조아이오닉 효과'를 규명했다고 21일 밝혔다.
수중 전기에너지 발전기술은 점차 수요가 커지고 있다. 인공심장박동기(페이스메이커) 등 체내 삽입형 보조기기도 배터리 수명이 다하면 수술로 교체해 수중 자가 발전기 원천기술 확보가 중요해지고 있다.
다만 배터리, 축전기와 같은 에너지 저장 소자 등의 부식·합선 위험이 높고, 극지방 등 극한환경에서 성능이 저하돼 막대한 충전·교체 비용이 발생한다.
연구팀이 밝힌 피에조아이오닉 효과는 전해질 내 담긴 물체에 압력을 가했을 때 물체 내 일어나는 이온 이동현상이다.
연구팀은 전해질 특성을 결정하는 이온에 주목, 염화이온 기반 다양한 염화물 내 이온 특성과 수중 자가 발전기 에너지 생성 상호관계를 분석했다.
그 결과 이온 전도도가 높을수록 수중 자가 발전기 성능이 우수하다는 사실을 확인했다.
또 밀도범함수이론(분자 내 전자 모양·에너지를 양자역학으로 계산하는 이론)을 접목해 수화(수용액 내 용해된 이온과 물 분자가 하나의 분자처럼 움직이는 현상)된 이온의 구조적 강도가 낮을 수록 성능이 우수하다는 점도 확인했다.
이어 분자 동역학 시뮬레이션으로 외부 압력이 가해질 때 이온 입·출입 상황을 모사해, 피에조아이오닉 효과를 분자 스케일에서 재확인했다.
이로써 이온이 존재하는 모든 전해질 환경에서 이온 종류·농도에 따라 수중 자가 발전기의 기계적 진동수를 제어하고 최적 성능을 갖춘 맞춤형 발전기 설계 원천기술을 확보하게 됐다.
김시형 선임연구원은 “그동안 규명하지 못했던 이온 현상을 파악할 수 있게 돼 해양에너지 발전 뿐 아니라 의류형, 인체 삽입형 등 다양한 환경 맞춤형 수중 자가 발전기 개발이 가능해졌다”고 설명했다.
이번 연구 성과는 지난 2월 어드밴스드에너지 머터리얼즈에 게재됐다.
김영준 기자 kyj85@etnews.com
