수중 자가발전기는 해양탐사, 인체삽입 의료기기 등에서 다양한 분야에서 수요가 급증하고 있지만, 수중에서 전기에너지를 생산하기 위해 전자 대신 이온을 활용하는 기술은 세계적으로 초기 단계에 머물고 있다.  

한국생산기술연구원(이하 생기원)은 섬유솔루션부문 김시형 선임연구원팀이 수중 자가발전기 에너지 생성 메커니즘을 규명하고 설계 원천기술을 확보했다고 21일 밝혔다.

이번 연구는 한양대 기계공학과 최준명 교수, 한국화학연구원 고기능고분자연구센터 김현 선임연구원과 공동으로 진행됐다.

공동연구팀은 수중에서 전기에너지를 생성하는 원리인 ‘피에조아이오닉 효과’를  규명했다.

피에조아이오닉 효과는 전해질에 담긴 물체에 기계적 압력을 가했을 때 물체 내에서 일어나는 이온 이동현상이다.

공동연구팀은 전해질의 특성을 결정하는 이온에 주목, 염화이온을 기반으로 하는 다양한 염화물에서 이온 특성과 수중 자가발전기의 에너지 생성 상호관계를 분석했다. 

그 결과 이온전도도가 높을수록 수중 자가발전 성능이 우수하다는 사실을 확인했다. 

또 밀도범함수이론을 접목해 수화된 이온의 구조적 강도가 낮을수록 성능이 우수하다는 것도 확인했다.

특히 분자동역학 시뮬레이션을 통해 외부압력이 가해졌을 때 이온 입·출입 상황을 정확하게 모사함으로써 피에조아이오닉 효과를 분자 스케일에서 재확인하는 데도 성공했다. 

이로써 이온이 존재하는 모든 전해질 환경에서 이온의 종류 및 농도에 따라 수중 자가 발전기의 기계적 진동수를 제어, 최적의 성능을 갖는 맞춤형 발전기 설계 원천기술을 확보하게 됐다.  

김 선임연구원은 “수중 자가발전기는 물이 있는 곳이면 어디든 에너지를 만들 수 있어 잠재력이 큰 반면 설계기술 부재로 실제 적용에는 한계가 있었다”며 “그동안 규명하지 못했던 이온현상을 실험과 계산으로  파악할 수 있어 해양에너지 발전뿐 아니라 의류형, 인체삽입형 등 다양한 환경맞춤형 수중 자가발전기 개발이 가능해졌다”고 설명했다.
 
이재형 기자 jh@kukinews.com