▲ 전기뱀장어를 모사한 고전압 나노유체 에너지 발생기 (a) 전기뱀장어에서 영감을 받은 나노유체 에너지 발생기의 개념도 (b) 전기뱀장어의 electrocyte 세포 구조 (c) 전기뱀장어의 electrocyte 세포에서 Na+ 이온 및 K+ 이온의 농도차 및 이온 흐름 제어를 통해 전기 발생. (d) 미세유체 채널 내 양이온과 음이온 교환막의 교차 직렬연결로 이루이진 마이크로 시스템의 구조. (e) 나노입자들이 자기조립화되어 나노입자 간에 형성된 빈공간이 3차원으로 연결된 나노채널 네트워크를 형성하여 이온교환막의 역할을 하며, 이온 농도차로 인해 양이온 또는 음이온이 서로 반대 방향으로 이온교환막을 통과할 때 생성된 전압 증폭.

서강대 박정열 전남대 최은표 교수 연구진이 전기뱀장어의 발전 원리와 구조를 모사한 마이크로 크기의 고전압 에너지 발생기를 개발했다.

연구진은 간단한 공정을 통해 제작된 마이크로 채널과 나노입자 자기조립화 제어를 통해 3차원 나노채널 네트워크로 구성된 이온교환막을 만들고 양이온 또는 음이온 교환막을 교차로 직렬연결해서 기존보다 수십~수백 배에 이르는 전압이 가능한 고전압 에너지 발생기를 개발했다.

인체 삽입형 의료기기 및 마이크로·나노 로봇과 같은 미래기기 개발을 위해서는 에너지 공급원에 관한 연구가 필수적이지만 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 가능하여 출력 전압이 매우 낮아 실제 활용에는 한계가 있었다.

연구팀은 수천 개 이상의 전기발생세포(eletrocyte)가 직렬 연결되어 있어 필요시 이온 농도차에 의한 이온 이동을 통해 약 600V의 전압을 발생시킬 수 있는 전기뱀장어의 발전 원리를 모방해 마이크로 크기의 고전압 에너지 발생기를 개발하는 데 성공했다.

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

이 연구에서 개발된 고전압 에너지 발생기는 양이온 또는 음이온만을 통과시키는 3차원 나노채널 네트워크 기반의 이온 교환막을 제작해 일정한 간격으로 직렬 배치하고, 그사이에 이온 농도차를 발생시켜 수 mm의 크기에서 1V 정도의 전압을 얻었다.

연구진은 이온 교환막 사이의 거리를 최적화시켜 전기뱀장어의 전기발생세포의 세포막 사이 거리와 비슷한 간격(약 80㎛)을 찾아냈으며 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”고 연구의 의의를 설명했다.

과학기술정보통신부‧한국연구재단 기초연구지원사업(개인연구‧기초연구실) 등의 지원으로 수행된 이 연구 성과는 에너지분야 국제학술지 나노에너지(Nano Energy) 12월 1일에 게재되었다. (논문명 : High-voltage nanofluidic energy generator based on ion-concentration-gradients mimicking electric eels)