미국 미시건대 연구진이 재충전 가능한 아연전지(zinc battery)를 로봇에 구조적으로 통합함으로서 보다 많은 에너지를 공급할 수 있는 기술을 개발했다고 밝혔다.
미시건대 '니콜라스 코토브' 교수팀은 소형 로봇에 적용할 수 있는 아연전지 기술을 개발하고 전문 저널인 ‘사이언스 로보틱스’에 연구 성과(논문 제목:’Biomorphic structural batteries for robotics’)를 발표했다. 이번 연구는 미 국방부 산하 방위고등연구계획국(DARPA)과 공군 과학연구청의 자금 지원을 받아 이뤄졌다.
연구팀에 따르면 배터리의 크기를 줄이면서 에너지 용량을 확대하는 것은 로봇의 크기를 마이크로 수준까지 줄이는 데 핵심적 요소다. 니콜라스 코토브 교수는 “로봇 설계시 배터리가 전체 로봇 크기와 무게에 20% 이상의 비율을 차지한다”며 로봇에 적용할 수 있는 재충전 아연전지의 개발 배경에 관해 설명했다.
연구팀에 따르면 배송 로봇, 간호 로봇, 물류 창고 로봇 등 모바일 로봇 애플리케이션이 폭발적으로 증가하고 있다. 다른 측면에선 소형 로봇들이 결합해 보다 큰 로봇집단으로 변화하는 군집로봇에 대한 연구도 활발하게 진행되고 있다. 현재 개발된 다기능 구조 배터리(multifunctional structural batteries)는 공간을 자유롭게 활용하고, 로봇의 무게를 줄일 수 있지만 아직까지는 메인 배터리를 보완하는 역할에 그치고 있다.
코토브 교수는 “에너지 밀도 측면에서 현재까지 개발된 구조 배터리는 오늘날의 첨단 리튬 배터리의 성능에 미치지 못한다”며 “이번에 개발한 구조 아연 전지는 우리가 개발한 기존 제품을 개선한 것으로 100배 이상의 성능을 발휘할 수 있다”고 말했다.
이는 에너지 밀도와 저렴한 재료의 결합은 배송 로봇의 이동 거리를 배 이상 늘릴 수 있다는 것을 의미한다. 이번 연구의 제1저자인 밍치앙 왕(Mingqiang Wang)은 “로봇의 외부를 아연 배터리로 대체하면 최대 72배 이상의 에너지 용량이 가능해질 수 있다”고 말했다.
▲ 아연전지의 구조
새로 개발한 아연전지는 전해질막을 통해 아연 전극과 공기사이에 수산화 이온(hydroxide ions)을 통과함으로서 동작하는 방식이다. 전해질막은 부분적으로 아라미드 나노섬유로 이뤄져 있으며, 물로 이뤄진 폴리머 젤 형태를 하고 있다. 이 젤은 수산화 이온이 아연 전극 사이를 이동하는 것을 도와준다.
저렴하고 풍부한 비독성 재료로 만들어지기 때문에 아연 전지는 환경친화적인 특성을 갖고 있으며 배터리가 손상이 되더라도 불이 나지않는다. 리튬 이온 전지는 성능이 좋지만 가연성이란 단점을 갖고 있다.
연구팀은 아연전지의 성능을 시연하기 위해 일반 크기와 미니어처 크기의 곤충 및 전갈 로봇을 만들어 테스트를 진행했다. 원래 있던 배터리를 '아연-공기 셀'로 바꾸고 셀을 모터에 연결했다. 그리고 로봇의 외부를 아연-공기 셀로 덮었다.
아연전지는 에너지를 공급하면서 동시에 로봇의 외부를 보호하는 역할을 수행할 수 있다. 다만 아연전지는 리튬이온 배터리보다 재활용 사이클이 적다는 단점이 있다. 연구팀은 강력한 아라미드 나노섬유 네트워크가 아연 전지의 라이프 사이클을 늘리는 데 중요하다고 지적했다.
연구팀은 단일의 배터리를 채택하는 것 보다 아연전지처럼 분산 에너지 저장장치를 활용하는 게 효율적인 생물 형태 디바이스를 개발하는 데 유리할 것이라고 덧붙였다.
