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한원배 박사, 김동제 학생(지도교수: 황석원) 전기뱀장어의 발전 원리를 모사, 에너지 저장 고체/유연 시스템 개발
2023.10.19 Views 397
전기뱀장어의 발전 원리를 모사, 에너지 저장 고체/유연 시스템 개발
Advanced Functional Materials 논문 게재
▲왼쪽부터 한원배 박사, 김동제 학생 (제1저자), 황석원 교수 (교신저자)
□ 이번 연구결과는 세계적인 학술지 ‘Advanced Functional Materials (IF=19.9)’지에 10월 2일에 온라인 게재되었다.
* 논문명 : Electric Eel-Inspired Soft Electrocytes for Solid-State Power Systems
* 저널명 : Advanced Functional Materials (Adv. Funct. Mater. 2023, doi/10.1002/adfm.202309781)
□ 전기뱀장어는 핵심 장기들이 머리 쪽에 모여 있고, 전기세포(electrocyte)라고 불리는 특수한 세포가 몸의 대부분을 이루고 있다. 이 전기세포의 양끝에는 수많은 나트륨과 칼륨 이온채널이 존재하는데, 신경 자극을 받으면 이 채널들이 열리거나 닫히면서 세포 안팎의 이온 농도차를 만들어 낸다. 이때 전기적으로 분극이 형성되면서, 양극과 음극 간 에너지 차이인 전위차, 즉 전압이 만들어진다. 몸 속에 수많은 전기세포들이 직렬 및 병렬로 연결되어 있기 때문에, 사냥과 자기방어를 할 때 순간적으로 최대 800 V에 해당하는 고전압을 만들어 낼 수 있는 것이다. 이러한 전기뱀장어의 발전원리를 모사하면, 이온의 이동만으로 전기를 만들어 내는 친환경 신재생 에너지원을 개발할 수 있는 셈이다.
□ 이번 연구에서 연구진들은 삼투압에 의한 이온의 흐름과 이온들의 정전기적 상호작용에 착안, 전기뱀장어의 발전 원리를 모사한 인공 전기세포를 개발하는데 성공했다. 인공 전기세포는 고농도의 이온겔(iongel)과 저농도의 이온겔로 구성되며 두 이온겔 사이에는 양이온 혹은 음이온 사슬로 구성된 고분자막을 각각 배치했다. 삼투압 차이에 의해 이온겔 사이를 이동하려는 이온들을, 양이온 고분자막은 음이온만을, 음이온 고분자막은 양이온만을 선택적으로 투과시키고, 이러한 전하의 불균형은 전기적 분극을 형성해서, 결국 약 140 mV의 전압을 만들어 낼 수 있었다.
□ 기계적 물성과 열적 안정성이 뛰어난 성분들로 구성된 이 전기세포는, 구부림, 뒤틀림 등의 반복적인 변형에도 안정적으로 전압을 낼 수 있었고, 영하 20도에서 영상 100도까지의 온도 범위에서도 얼거나 타지 않고 발전 거동을 유지할 수 있었다.
□ 더 나아가, 연구진은 이 전기세포들을 직렬과 병렬로 연결시켜 최대 22 V까지 얻음으로써 대면적화를 통한 고전력의 발전 가능성을 보였다. 그리고, 모든 이온겔과 고분자막이 분리된 형태로도 시스템을 제작해서, 간단한 종이접기 방법을 통해 필요할 때 전기를 생산해낼 수 있는 전략도 제시했다.
□ 황석원 고려대 교수는 “이번 연구결과는 유연전자소자를 구현하는 공학 기술과 전기화학 연구의 융합을 통하여, 전기뱀장어의 발전 원리를 모사한 인공 전기세포 기반의 에너지 저장 시스템을 개발한 것으로, 높은 전압 또는 극저온/고온에서의 작동을 필요로 하는 다양한 환경에 적용되어 지속가능한 차세대 신재생 에너지원으로써 활용될 것”이라고 기대했다.
□ 기계적 물성과 열적 안정성이 뛰어난 성분들로 구성된 이 전기세포는, 구부림, 뒤틀림 등의 반복적인 변형에도 안정적으로 전압을 낼 수 있었고, 영하 20도에서 영상 100도까지의 온도 범위에서도 얼거나 타지 않고 발전 거동을 유지할 수 있었다.
□ 더 나아가, 연구진은 이 전기세포들을 직렬과 병렬로 연결시켜 최대 22 V까지 얻음으로써 대면적화를 통한 고전력의 발전 가능성을 보였다. 그리고, 모든 이온겔과 고분자막이 분리된 형태로도 시스템을 제작해서, 간단한 종이접기 방법을 통해 필요할 때 전기를 생산해낼 수 있는 전략도 제시했다.
□ 황석원 고려대 교수는 “이번 연구결과는 유연전자소자를 구현하는 공학 기술과 전기화학 연구의 융합을 통하여, 전기뱀장어의 발전 원리를 모사한 인공 전기세포 기반의 에너지 저장 시스템을 개발한 것으로, 높은 전압 또는 극저온/고온에서의 작동을 필요로 하는 다양한 환경에 적용되어 지속가능한 차세대 신재생 에너지원으로써 활용될 것”이라고 기대했다.
