“스마트폰 전지를 30초만에 충전” 양자점 기술 개발

스마트폰 전지(배터리)를 30초 만에 충전하는 방법을 발견했다고 미국의 과학자들이 밝혔다.

미국 밴더빌트대 연구진은 ‘양자점’(quantum dots)을 사용해 충전 속도를 극단적으로 높일 수 있다고 주장하고 있다.

‘양자점’은 인간의 머리카락보다 1만 배 더 얇은 반도체 물질로 된 소립자로, 독특한 전기적 특성을 갖는다.

이러 ‘양자점’은 변형(strained) 됐을 때 전하 생성 능력과 같은 특별한 특성을 갖도록 바뀔 수 있다.

하지만 지금까지는 ‘양자점’이 충전 기술을 향상하는 효과가 단 몇 차례밖에 되지 않았다.

그런데 이제 연구진이 ‘바보의 금’으로 알려진 황광철을 사용해 ‘양자점’을 만드는 방법을 발견했다.

이는 황광철을 사용해 빠르게 충전하고 수십 차례 재생을 반복할 수 있는 전지를 생산할 수 있는 것이라고 연구진은 말한다.

연구를 이끈 캐리 파인트 기계공학과 조교수는 황광철이 지표면에서 가장 풍부한 광물 중 하나이기에 관심을 가졌다고 말한다.

황광철은 석탄 생산의 부산물로 가공되지 않은 형태로 생산되며, 한번 사용된 뒤 폐기되는 리튬 전지보다 저렴하다.

파인트 교수는 “연구자들은 나노 물질이 크게 전지 성능을 향상할 수 있다는 것을 증명했지만, 거기에는 한계가 있다”면서 “나노 물질 입자는 일반적으로 원자 40~50개 수준인 10㎚(나노미터) 미만으로 아주 작을 때를 말하는 데 이런 입자는 화학적으로 전해질과 반응하기 시작해 충·방전이 고작 몇 차례밖에 되지 않는다”고 말한다.

이어 “따라서 이런 크기의 체제는 상용 리튬 이온 전지에서는 (폐기물 문제로) 금지돼 있다”고 덧붙였다.

파인트 교수가 이끈 연구진은 표준 리튬 전지와 크기가 다른 수백만 개의 황광철로 된 양자점을 더하는 것으로 이 문제를 극복했다.

황광철은 에너지를 저장하기 위해 철을 리튬-황 화합물의 형태를 바꾸는 특별한 방식을 갖고 있어 매우 효과적이다. 이는 상용 리튬 이온 전지의 충전 방법과 다른 메커니즘을 가진다.

황광철이 에너지를 저장하는 과정에서 리튬은 충전할 때 전지 물질 내로 들어가고 방전할 때 다시 나온다. 이때 리튬은 거의 변하지 않고 저장돼 전지 물질을 남긴다.

파인트 교수는 이를 바닐라 케이크로 생각하면 쉽게 알 수 있다고 말한다.

그는 “기존 전지 물질에 리튬이나 나트륨을 저장하는 것은 초콜릿 칩을 케이크에 집어넣고 다시 꺼내는 것과 같다”면서 “우리가 연구하는 흥미로운 소재로, 당신은 바닐라 케이크에 초콜릿 칩을 넣고 빼면 초콜릿 케이크에서 바닐라 칩이 나오는 것을 볼 수 있을 것”이라고 말했다.

결과적으로, 이 전지의 입자는 더 커서 초소형 나노 입자를 금지하는 규정에는 적용되지 않는다.

파인트 교수는 ‘무어의 법칙’(메모리 용량이나 CPU 속도가 약 1.5년에 2배씩 증가)을 능가하는 속도로 전지 성능을 발전시키기 위해 화학적 저장 메커니즘을 이해하고 이런 메커니즘이 어떤 방식으로 나노 규모의 차원에 의존하는지 이해하는 것이 매우 중요하다고 믿고 있다.

또한 이런 이해가 전기 자동차의 보편화를 가속할 것이라고 그는 전망한다.

파인트 교수는 “초 단위로 충전하고 며칠 동안 쓰는 미래의 전지는 나노 기술만을 사용하는 것이 아니라 수천 번 충전할 때까지 견딜 수 있고 에너지 저장이 휘발유에 필적할 만한 용량이 되도록 나노 구조를 설계하는 새로운 도구를 개발하는 것이 우리에게 유리할 것”이라면서 “우리 연구는 이런 방향에서 중요한 단계에 있다”고 말했다.

사진=밴더빌트대

윤태희 기자 th20022@seoul.co.kr