▲ 전기뱀장어를 모사한 고전압 나노유체 에너지 발생기.

국내 연구진이 작은 부피에서 고전압을 발생시킬 수 있는 발생기를 개발했다. 향후 마이크로·나노 크기 디바이스 개발에 도움이 될 것으로 보인다.

한국연구재단(이사장 조무제)은 박정열(서강대학교)·최은표(전남대학교) 교수 연구팀이 전기뱀장어의 발전 원리와 구조를 모사한 마이크로 크기의 고전압 에너지 발생기를 개발했다고 지난 20일 밝혔다.

인체 삽입형 의료기기 및 마이크로·나노 로봇과 같은 미래기기 개발을 위해서는 에너지 공급원에 관한 연구가 필수적이다. 하지만 마이크로·나노 크기의 디바이스의 급속한 발전에도 여전히 오염물질 방출 없이 지속해서 전원을 공급할 수 있는 장치 연구는 부족한 실정이다.

최근 마이크로 디바이스의 전원공급 장치로서 오염물질 없이 전기 생산이 가능한 이온 농도차 발전이 주목받고 있으나, 기존 기술로는 양이온 또는 음이온 막 한 개만 사용이 가능해 출력 전압이 매우 낮아 실제 활용에는 한계가 있었다.

이에 연구팀은 수천 개 이상의 전기발생세포(eletrocyte)가 직렬 연결돼 필요시 이온 농도차에 의한 이온 이동을 통해 약 600V의 전압을 발생시킬 수 있는 전기뱀장어의 발전 원리를 모방한 마이크로 크기의 고전압 에너지 발생기를 개발했다.

전기발생세포는 전기뱀장어의 생체 내 이온 농도차를 유지하고, 이온의 선택적인 이동을 허용하는 세포이다. 전기뱀장어와 같은 전기물고기는 전기방전기관(EOD)에 전기발생세포가 있어 필요에 따라 강·약의 전기를 발생시킨다.

또한 연구진은 이 연구에서 개발된 고전압 에너지 발생기는 양이온 또는 음이온만을 통과시키는 3차원 나노채널 네트워크 기반의 이온 교환막을 제작했다.

교환막을 일정한 간격으로 직렬 배치하고, 그사이에 이온 농도차를 발생시켜 수 mm의 크기에서 1V 정도의 전압을 얻었다.

이어 이온 교환막 사이의 거리를 최적화시켜 전기뱀장어의 전기발생세포의 세포막 사이 거리와 비슷한 간격(약 80㎛)을 찾아냈다. 인공적인 단일 셀(cell)에서 발생하는 전압도 전기뱀장어의 전기발생세포에서 생성되는 전압(150㎷)과 매우 유사하다는 사실을 확인했다.

박정열 교수는 “작은 부피에서도 높은 전압을 발생시킬 수 있다면 인체 삽입형 의료기기나 마이크로·나노 로봇과 같은 미래기기 개발을 현실화할 수 있을 것”이라며 “나아가 이 기기를 활용하면 인체의 땀, 혈액, 오줌 등을 통해서도 에너지를 얻을 수 있다”라고 연구의 의의를 설명했다.

한편, 해당 연구 성과는 과학기술정보통신부·한국연구재단 기초연구지원사업(개인연구?기초연구실) 등의 지원으로 수행되었으며, 에너지분야 국제학술지 나노에너지(Nano Energy) 12월 1일에 게재됐다.