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美 펜실베니아대, 주변 '금속' 섭취해 에너지 얻는 로봇 개발에너지 밀도, 리튬 이온 배터리보다 13배 높아
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승인 2020.04.16  21:03:40
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▲ 이번에 개발한 'MAS 로봇(Metal-air scavenger robot)'은 주변에 있는 금속으로부터 에너지를 얻기 때문에 배터리가 필요없다.(사진=뉴아틀라스)

배터리는 지난 수십년 동안 우리에게 많은 도움을 주었다. 하지만 전자장치가 계속해서 축소됨에 따라 이제 일부 용도로는 너무 무겁고 비효율적인 것으로 여겨지기도 한다. 이러한 가운데 펜실베니아대(University of Pennsylvania) 연구팀이 주위에 있는 금속을 이용해 스스로 작동하는 로봇을 개발했다고 ‘뉴아틀라스' 등 매체들이 보도했다. 이번 연구 성과는 에너지 분야 국제학술지인 ‘ACS 에너지 레터스(ACS Energy Letters)’에 게재됐다.

배터리는 에너지를 저장하기 때문에 상대적으로 무거울 뿐만 아니라 재충전하기 전까지 공급도 제한적일 수밖에 없다. 일부 장치는 주변에서 에너지를 끌어와 이를 극복하는데, 태양 전지판이 대표적으로 이같은 방법을 사용한다. 하지만 실제로 특정 조건에서만 작동하는 데다 전력밀도도 낮아 주변에 있는 에너지를 빠른 속도로 끌어오지는 못한다.

연구팀은 해당 문제를 염두에 두고 배터리의 빠른 화학작용을 없애면서도 ​​금속이나 공기와 같은 주위 환경에서 에너지를 얻는 장치인 MAS(Metal-Air Scavenger· 금속 및 공기 포집기)를 개발했다. 이 장치는 음극, 양극, 전해질 등 기본적인 배치는 갖췄으나, 양극을 내장하고 있지 않다는 점에서 기존 배터리와 다르다. 대신 금속표면을 지나가면서 발생하는 산화작용을 통해 양극을 제공받는다.

여기에 사용된 음극은 탄소로 이뤄져 있다. 또 폴리테트라 플루오로에틸렌(PTFE)으로 코팅돼 있고 내부엔 백금 나노비드(nanobeads of platinum)가 내장돼 있다. 전해질은 염수를 함유한 분산매체인 히드로겔(hydrogel)이다. 이 젤리 모양의 물질을 금속바닥에 끌면 아래에 있는 금속이 산화됨에 따라 화학결합을 분해하는 동시에 음극활 물질이 공기의 산소를 감소시킨다. 이런 과정을 통해 MAS는 자체적으로 전력을 생산할 수 있게 된다.

▲ (사진=테크엑스플로어)

이번 연구에 참여한 ‘제임스 피쿨(Jamse Pikul)’은 “MAS의 전력밀도는 기존 배터리와 경쟁이 가능할 만큼 우수하다”며 " 주위 환경에서 화학물질을 만들어내기 때문에 화학 배터리(chemistry battery)를 사용하고 있지만 이와 관련된 무게는 나가지 않는다"고 설명했다.

연구팀은 해당 기술을 시연하기 위해 MAS를 소형 전기차에 연결한 뒤 하이드로 겔을 알루미늄 표면에 끌었다. 차량은 제자리서 원을 그리며 움직이는 동시에 소량의 물만 가지고 하이드로 겔을 규칙적으로 적셨다. 피쿨은 “에너지 밀도는 가용 에너지와 운반 중량의 비율”이라면서 "추가된 물의 무게를 고려하더라도, 차량은 하이드로 겔과 음극만 운반할 뿐, 금속과 산소는 운반하지 않기 때문에 에너지 밀도가 리튬 이온 배터리보다 13배 정도 높다"고 강조했다.

물론 MAS 차량이 금속표면을 지나가면 산화과정으로 인한 얇은 '녹' 층이 생긴다. 하지만 표면에 기껏해야 100미크론(micron) 정도만 영향을 미칠 뿐, 심각한 구조적 손상까지는 입히지 않는다고 연구팀은 해명했다. 이들은 이번에 개발한 장치가 컨테이너선에 사용중인 센서와 같은 소형 사물인터넷(IoT)기기 등에 전력을 공급할 수 있다고 말했다.

조상협  robot3@irobotnews.com
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