과기정통부 산하 한국생산기술연구원 양자역학 계산법 밀도범함수로 수중 자가발전기 설계 원천기술 개발
한국생산기술연구원이 체내 삽입할 수 있는 수중 자가발전기의 에너지 생성 메커니즘을 밝혀냈다. 인공심장 수명 등을 획기적으로 늘릴 수 있는 기술이다.
생기원은 수중 전기에너지 생성 원리인 '피에조아이오닉 효과'의 원리를 처음 규명했다고 21일 발표했다. 이 효과는 전해질 내 담긴 물체에 기계적 압력을 가했을 때 물체 내에서 일어나는 이온 이동 현상을 말한다.
극지방 등 극한 지역 발전, 해양용 센서부터 혈액 내 단백질을 분석하는 바이오센서까지 수중 발전 기술 수요가 커지고 있다. 그러나 수중발전기는 부식 및 합선 위험이 높고 성능이 쉽게 저하돼 충전 및 교체 비용이 막대하다. 인공심장박동기 등 체내 삽입형 보조기기도 배터리 수명을 다할 때마다 수술로 교체해야 하는 번거로움이 있다.
생기원 섬유솔루션부문 김시형 선임연구원은 염화이온이 있는 다양한 염화물 내에서 이온의 특성과 수중 자가발전시 상호관계를 분석했다. 분자 내부의 전자 모양과 위치, 에너지를 양자역학적으로 규명하는 계산과학(수학) 기법인 '밀도범함수론'을 썼다.
그 결과 수화(수용액에서 용해된 이온을 물 분자가 둘러싸 마치 하나의 분자처럼 움직이는 현상)된 이온의 구조적 강도가 낮을수록 수중 자가발전기의 성능이 높아진다는 점을 확인했다. 또 이온이 들어오고 나가는 상황을 정확하게 모사해 피에조아이오닉 효과를 분자 스케일에서 확인하는 데 성공했다.
수중 자가발전기는 물이 있는 곳이라면 어디서든 에너지를 만들 수 있어 잠재력이 크지만 설계 기술이 마땅치 않아 상용화가 어려웠다.
김 연구원은 "이온이 존재하는 모든 전해질 환경에서 이온의 종류 및 농도에 따라 수중 자가발전기의 진동수를 제어해 최적의 성능을 낼 수 있는 설계 원천기술을 확보한 것"이라며 "의류형, 인체 삽입형 등 다양한 환경에서 맞춤형 수중 자가발전기 개발이 가능해졌다"고 설명했다. 이번 연구성과는 국제학술지 '어드밴스드 에너지 머티리얼즈'에 실렸다.
