UNIST 연구진이 전기가오리(Electric Ray)의 생체 구조를 모방해 외부 자극 없이도 고전압을 생산하는 새로운 전기셀 기술을 개발했다. 이 기술은 웨어러블 전원 장치, 자가발전형 센서 등 차세대 에너지 하베스팅 분야의 핵심 기반 기술로 주목받고 있다.

UNIST 에너지화학공학과 고현협 교수팀은 0.2㎜ 두께의 초박막 전기셀을 개발하고, 이를 적층해 최대 100V의 고전압을 생산하는 데 성공했다고 21일 밝혔다.

연구 성과는 에너지 소재 분야 세계적 학술지 Advanced Energy Materials에 온라인 게재됐다.

전기가오리는 전기세포 하나당 약 0.1V의 낮은 전압을 내지만, 수천 개의 세포를 층층이 쌓아 100∼200V의 고전압을 만든다.

연구팀은 이 원리를 모방해 양전하 고분자 박막과 음전하 고분자 박막을 맞댄 ‘이종접합 전기셀’을 제작했다.

두 박막이 맞닿는 계면에서 형성되는 전기장이 이온을 끌어모아 생체 세포막의 ‘막전위’와 유사한 전압을 만들어내는 구조다.

연구팀이 개발한 단일 전기셀은 0.71V의 전압을 기록했다.

이는 기존의 동종접합 구조 대비 30배 이상 향상된 수치다. 연구진은 이 전기셀을 전기가오리의 전기세포처럼 적층해 100V 이상의 고전압을 확보했으며, 이를 활용해 6W급 LED 전구, 전자계산기, 디지털 손목시계 등 소형 전자기기를 실제로 작동시키는 데 성공했다.

내구성 또한 뛰어났다. 단일 전기셀을 3,000회 이상 늘리고 줄이는 반복 실험에서도 전압 손실이 없었으며, 원래 길이의 1.5배까지 늘려도 성능이 유지됐다.

여러 겹을 쌓은 상태에서도 굽힘·신장 등 외부 변형에 안정적으로 대응했다. 건조한 환경부터 습도 90%의 고습 환경까지 다양한 조건에서도 출력 변화가 거의 없어 웨어러블 기기 적용 가능성을 높였다.

고현협 교수는 “이번 기술은 외부 에너지원 없이 소재 내부의 이온 이동만으로 고전압을 생성하는 원천 기술”이라며 “바람, 태양, 압력 등 외부 자극에 의존하는 기존 에너지 하베스팅 기술의 한계를 넘어 웨어러블 전원 장치의 유지 부담을 크게 줄일 수 있다”고 설명했다.

연구팀은 생체 세포막에서 이온이 선택적으로 이동하며 전압을 만드는 ‘막전위’ 현상에 착안해 전기셀을 설계했다. 고 교수팀은 “전기가오리의 전기세포 구조를 모방해 적층 방식을 적용함으로써 고전압을 안정적으로 생산할 수 있었다”고 밝혔다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 개인기초연구사업 및 나노·소재기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다. 연구팀은 향후 웨어러블 전원, 자가발전형 센서, 의료용 패치 등 다양한 응용 분야로 기술을 확장할 계획이다.