[초점] 호주 RMIT, '나노초의 벽' 허문 양자 배터리 개발…저장 시간 1000배↑

기존 배터리의 한계를 뛰어넘을 '꿈의 기술'로 기대를 모으는 양자 배터리 상용화에 청신호가 켜졌다. 이론적으로 빠른 충전 속도와 높은 에너지 저장량을 갖췄지만, 나노초(10억분의 1초) 단위의 짧은 저장 시간 탓에 활용이 어려웠다. 최근 이 저장 시간을 1,000배 늘린 시제품이 나왔다.

24일(현지시각) IEEE스펙트럼에 따르면 호주 왕립 멜버른 공과대학(RMIT) 연구팀은 에너지 저장 시간을 기존 나노초에서 마이크로초(100만분의 1초) 단위로 늘린 새로운 양자 배터리 시제품을 개발했다고 밝혔다. 이 획기적인 연구는 앞으로 휴대용 전자기기와 소형 센서의 전력 공급 방식을 바꿀 중요한 전환점이 될 전망이다.

양자 배터리는 원자들이 에너지를 흡수하고 방출할 때 나타나는 양자역학 현상을 이용한다. 원자 여럿이 각자 빛을 낼 때와 비교해 훨씬 강렬한 빛을 한꺼번에 방출하는 '초방사(Superradiance)', 그리고 반대로 원자들이 협력해 빛을 더욱 효과적으로 흡수하는 '초흡수(Superabsorption)' 현상을 활용한다.

이 원리 덕분에 2022년에는 크기가 커질수록 에너지 수집 속도가 빨라지는 시제품이 나오기도 했다. 그러나 기존 시제품들은 초흡수와 초방사 현상이 함께 일어나 충전되는 만큼 빠르게 방전되는 문제를 안고 있었다.
◇ '어두운 삼중항'서 찾은 해법

RMIT의 프란체스코 캄파이올리 총장 연구원이 이끄는 연구팀은 이 문제를 해결하고자 분자가 빛을 흡수할 때 전자가 머무는 '어두운 삼중항 상태(dark triplet states)'에 주목했다. 빛을 거의 내뿜거나 빨아들이지 않는 이 상태의 특성을 이용해 에너지 저장 시간을 획기적으로 늘렸다.

새 시제품은 정교한 다층 구조를 갖췄다. 빛 흡수 능력이 뛰어난 염료 '로다민 6G' 층이 514나노미터(nm) 파장의 녹색 레이저 빛을 흡수하면, 그 에너지를 '팔라듐 테트라페닐포르피린' 화합물 층으로 보낸다. 이 두 번째 층이 에너지를 어두운 삼중항 상태로 저장한다. 두 층 사이에는 상호작용을 정밀하게 조절하는 비활성 고분자 스페이서를 두었고, 전체 구조는 반사성 은 층으로 감싸 빛 에너지의 효과적인 전달과 저장을 돕는다.

캄파이올리 연구원은 "저장층의 어두운 삼중항 상태 덕분에 에너지가 장치에 머무는 시간이 들어오는 시간과 비교해 약 1,000배 길어졌다"고 설명했다.

◇ "30분 충전에 20일 사용"…상용화 기대감

나노초에서 마이크로초로의 변화는 사소해 보일 수 있다. 그러나 캄파이올리 연구원은 이 성과를 알기 쉽게 비유했다. 그는 "30분 만에 완전히 충전되고, 대기 상태에서 약 20일 동안 쓸 수 있는 휴대폰을 갖는 것과 같다. 아주 괜찮은 수준"이라고 평가했다.

연구팀은 현재 산업 파트너와 협력해 후속 시제품 제작과 기술 고도화에 힘쓰고 있다. 캄파이올리 연구원은 "이 아이디어를 일상생활에 영향을 미칠 기술로 발전시키려면 아직 할 일이 많다"면서도 "이를 실현하기 위해 넘어야 할 과제를 뚜렷하게 안다는 점이 중요하다"고 말했다. 이번 연구 성과가 앞으로 휴대용 전자기기와 소형 센서의 배터리 용량과 충전 속도를 높이는 데 크게 이바지할 전망이다.

이번 연구 결과는 2025년 6월 23일 자 학술지 'PRX 에너지(PRX Energy)'에 실렸다.


박정한 글로벌이코노믹 기자 park@g-enews.com