[기계신문] 한국생산기술연구원(이하 생기원)은 한양대학교, 한국화학연구원과 함께 ‘수중 자가 발전기’ 에너지 생성 메커니즘을 규명, 다양한 수중 환경에서의 자가 발전기 설계 원천기술을 확보했다고 밝혔다.
수중 자가 발전기는 전극과 전해질로 구성되는데, 전극과 전해질의 상호작용을 해석해 발전기 성능 향상을 위한 에너지 생성 메커니즘을 제시한 것은 공동 연구팀이 처음이다.
생기원 섬유솔루션부문 김시형 선임연구원은 한양대 기계공학과 최준명교수, 한국화학연구원 고기능고분자연구센터 김현 선임연구원 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.
공동 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 수화된 이온의 구조적 강도가 낮을수록 성능이 우수하다는 점도 확인했다.
이때, 밀도범함수이론은 분자 내부의 전자 모양과 그 에너지를 양자역학으로 계산하기 위한 이론을 말하며, 수화(Hydration)란 수용액 속에서 용해된 이온을 물 분자가 둘러싸고 상호작용하면서 하나의 분자처럼 움직이는 현상을 의미한다.
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.
생기원 김시형 선임연구원은 “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 발전뿐 아니라 의류형·인체 삽입형 등 다양한 환경 맞춤형 수중 자가 발전기 개발이 가능해졌다”고 설명했다.
한편, 이번 연구 성과는 지난 2월 재료 및 에너지 분야 국제학술지 ‘어드밴스드에너지 머터리얼즈(Advanced Energy Materials)’에 게재되었다.
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