전기가오리가 세포를 겹겹이 쌓아 전기를 만드는 원리를 모방해 별도의 외부 전원 없이도 고전압을 내는 기술이 개발됐다. 미세 에너지를 모아 전력을 생산하는 에너지 하베스팅 방식과 달리 외부 자극에 의존하지 않는 구조로, 웨어러블 전원 장치 등 응용 가능성이 제시된다.

UNIST 에너지화학공학과 고현협(사진) 교수팀은 스스로 전기를 만들 수 있는 0.2㎜의 얇은 전기셀을 개발하고 이 전기셀을 쌓아올려 100V의 전압을 내는데 성공했다고 21일 밝혔다.

전기가오리는 개당 약 0.1V의 전압을 내는 세포 수천 개를 직렬로 연결해 수백V의 전기를 만든다.

연구팀은 이 원리에 착안해 양전하(+)와 음전하(-) 고분자 박막을 맞붙인 ‘이종(異種) 접합 이중층 구조’의 전기셀을 고안했다.

이 구조는 내부 이온이 경계면으로 이동하며 발생하는 전위차, 즉 막전위 현상을 이용해 외부 자극 없이도 스스로 전기를 생산한다.

개발된 전기셀은 개당 0.71V의 전압을 기록해 기존 방식보다 약 30배 높은 효율을 보였다. 연구팀은 이를 전기가오리처럼 여러 층 쌓아 올려 100V 이상의 고전압을 확보했으며, LED 전구와 전자계산기, 디지털 시계 등을 실제로 구동하는 데 성공했다.

내구성도 확인했다. 전기셀을 3000회 이상 늘렸다 줄여도 성능 저하가 없었고, 습도 90%의 고습 환경에서도 안정적인 출력을 유지해 웨어러블 기기 적용 가능성을 높였다.

이번 연구에는 에너지화학공학과 이승재 연구원, 이영오 박사, 박철홍 연구원이 제1저자로 참여했다.

연구팀은 “생체 세포막에서 이온이 선택적으로 이동할 때 전압이 발생하는 막전위 현상에 착안해 단위 전기셀을 개발했고, 이를 적층해 고전압 전기를 만들었다”고 밝혔다.

고현협 교수는 “바람·태양·압력·온도차 등에 의존하는 기존 에너지 하베스팅과 달리 외부 자극과 무관해 웨어러블 전원장치의 유지 부담을 줄일 수 있을 것”이라고 말했다. 석현주기자