꿈의 배터리 현실로?...휘고 비틀어도 에너지 손실 없는 '양자 배터리' 나온다

스마트폰부터 슈퍼컴퓨터에 이르기까지 모든 것을 혁신할 수 있는 초소형 고성능 배터리가 등장할 가능성이 제시됐다.

일본 리켄(RIKEN) 양자 컴퓨팅 센터와 중국 화중과학기술대학 연구진이 "위상학적 양자 배터리"라는 새로운 에너지 저장 개념의 효율적인 설계 방법을 이론적으로 규명했다고 밝혔다.

위상학적 양자 배터리는 기존 양자 배터리의 한계를 극복하고 효율을 극대화할 수 있는 새로운 에너지 저장 기술이다.

3일(현지시각) 과학기술 전문매체 인터레스팅 엔지니어링에 따르면 이번 연구의 첫 번째 저자인 루 지광(Zhi-Guang Lu) 박사는 "우리의 연구는 위상학적 관점에서 새로운 통찰력을 제공하며 고성능 마이크로 에너지 저장 장치 구현에 대한 힌트를 제시한다"고 설명했다.

세계적인 에너지 수요 증가와 기존 화학 기반 배터리의 한계에 직면하면서, 더 효율적이고 지속 가능한 에너지 저장 기술의 필요성이 증대되고 있다. 양자 배터리는 중첩, 얽힘, 결맞음 등 양자역학 원리를 활용하여 기존 배터리와 차별화된 에너지 저장 개념으로, 더 빠른 충전, 용량 증대, 효율성 향상 등 주요 성능 이점을 약속한다.

하지만 실제 양자 배터리 구현에는 에너지 손실과 결어긋남(양자 특성 저하)이라는 상당한 어려움이 있었다. 특히 원격 충전이나 에너지가 소실되는 환경에서는 성능 저하가 발생하기 쉬웠다. 이에 대해 루 지광 박사는 "장거리 에너지 전송 및 소실에 의해 발생하는 양자 배터리의 실질적인 성능 한계를 극복함으로써, 양자 배터리의 이론에서 실제 응용으로의 전환을 가속화하고자 한다"고 연구 목표를 밝혔다.

리켄 연구진은 구부리거나 비틀어도 변하지 않는 재료의 특성인 '위상적 특성'을 활용했다. 그들은 광자 도파관의 위상학적 특성과 2준위 원자의 양자 효과를 독특하게 결합한 배터리 설계 개념을 제시했다.


연구팀은 위상학적 특성을 활용함으로써 완벽한 장거리 충전 및 소실 면역성을 달성할 수 있음을 보여주었다. 이는 위상 양자 배터리의 실현 가능성을 높이는 중요한 이점이다. 첫째, 광도파관의 위상학적 특성을 활용하여 '거의 완벽한 에너지 전달'이 가능하다. 또한, 이 연구에서는 충전기와 배터리가 같은 위치에 있을 경우 단일 하위 격자 내에서 소실 면역성이 가능하다는 것을 시사했다.

특히 주목할 점은, 연구팀이 "일반적으로 배터리 성능에 해로운 것으로 간주되는 에너지 손실이 양자 배터리의 충전 전력을 일시적으로 향상시키는 데 사용될 수 있다"는 예상치 못한 사실을 발견했다는 것이다.

이번 위상 양자 배터리 연구는 다양한 최첨단 기술에 중요한 함의를 지닌다. 나노스케일 에너지 저장 가능성을 열고, 광 양자 통신의 발전을 이끌며, 장거리 초고속 데이터 전송 등 폭넓은 분야에 활용될 수 있다.

양자 배터리에 대한 연구 개발은 전 세계적으로 활발히 진행 중이다. 지난 2월에는 호주 CSIRO 연구팀이 마이크로캐비티를 이용한 양자 배터리 시제품을 성공적으로 개발한 경험이 있다.


이태준 글로벌이코노믹 기자 tjlee@g-enews.com