자동차의 뜨거운 심장, 연료와 공기가 폭발하는 피스톤 엔진. 하지만 전기자동차에는 이 뜨거운 심장 대신 축전기가 내장되어 있는데요. 가솔린 자동차보다 앞서 1800년대 처음 나왔던 전기자동차가 역사의 뒤안길로 사라진 것은 너무 뜨겁고 충전이 어려운 축전기 때문이었습니다. 하지만 지금은 한 번 충전으로 최대 400km 가량을 달릴 정도가 되었습니다.

여기서 더 나아가 축전기가 단순히 전기를 저장하는게 아니라 스스로 만들어낼 수 있다면 어떨까요? 축전기를 충전할 필요가 없거나 적어도 충전시간이 줄고 충전주기는 늘일 수 있겠지만 에너지를 생성시키는 '발전'과 만들어진 에너지를 저장하는 '축전'이 분리된 지금의 형태로는 소형화나 효율 향상에 한계가 있습니다.

2015년 제주대학교 김상재 교수 연구팀이 미국 조지아텍 왕종련 교수 연구팀과 함께 발전과 축전이 함께 이뤄지는 일체형 축전기를 개발한 것도 이 같은 고민에서 출발했습니다.

외부 전력공급 없이도 압전소재에 가해지는 작은 힘을 전기로 변환시킴으로써 반영구적으로 사용할 수 있는 소자를 개발한 것인데요. 압전소재로 된 분리막이 번개를 일으키는 토르의 망치가 되어 축전기에 숨어 있는 것입니다. 외력이 작용하면 분리막에 전위가 형성되어 이온이동을 유도하여 전기를 생성하고 저장하는 원리입니다.

소자의 성능을 높이기 위해서는 소자를 구성하는 전극, 전해질, 분리막의 소재 뿐만 아니라 외부에서 힘이 가해질 때, 소자의 전극 사이에서 일어나는 압전 화학반응에 대한 근본적인 이해가 필요했습니다. 제주대학교 김상재 교수 연구팀은 일체형 축전기에 외력이 가해질 때 전류-전압특성을 분석한 결과 반복적인 전류 피크 구조(축전기 내부의 전하분포상태 정보를 알려주는)가 발현하는 새로운 현상을 발견했습니다.

외부전원 없이 바람과 같은 기계적인 힘이 소자에 가해질 때 전극 간 전하의 이동에 따른 에너지변환 과정을 시각화할 수 있는 실마리를 제공한 것입니다. 처음 소자의 충전전압이 0.1V였던 것에서 지속적인 개선을 통해 0.7V까지 향상시켰습니다. 현재로서는 LED를 점등하거나, 트랜지스터를 동작할 수 있고 간단한 장난감에 적용할 수 있는 수준입니다. 만약 실용화할 수 있는 1.5V 정도의 충전전압으로 발전시키면, 반영구적인 충전이 필요없는 스마트 장난감은 물론 휴대용 의료기기나 웨어러블 전자기기 등에의 적용을 기대해 볼 수 있습니다.

<본 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 기초연구지원사업의 지원으로 수행되었습니다.>

출처: 한국연구재단