[과학·IT] 호주 연구진, 세계 최초 양자 배터리 프로토타입 개발… “충전 속도 혁명”

세계 최초의 완전한 기능을 갖춘 양자 배터리. 출처: CSIRO

호주 연구진이 양자역학의 원리를 활용해 거의 순간적으로 충전이 가능한 세계 최초의 양자 배터리(Quantum Battery) 프로토타입을 개발했다. 크기가 커질수록 오히려 충전 속도가 빨라지는 반직관적 특성을 지니고 있어 차세대 에너지 저장 기술의 새로운 지평을 열 것으로 기대를 모으고 있다.

이번 프로젝트는 호주연방과학산업연구원(CSIRO)이 멜버른 대학교, RMIT 대학교와 협력하여 진행했으며, 연구 결과는 국제 학술지 ‘라이트: 사이언스 앤드 애플리케이션스(Light: Science & Applications)’에 게재되었다.

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1. ‘초흡수’ 현상을 이용한 초고속 충전

연구진에 따르면 양자 배터리는 기존 배터리와 기본 목적은 같지만, 작동 방식에서 근본적인 차이를 보인다.

• 양자역학의 활용: 화학 반응에 의존하는 일반 배터리와 달리, 양자역학적 특성을 활용해 에너지를 저장한다.
• 초흡수(Super Absorption): 시스템이 빛을 단일하고 거대한 ‘초흡수’ 이벤트로 한 번에 흡수하여 충전 속도를 극적으로 끌어올린다.

2. 초고속 레이저 실험을 통한 입증

연구진은 멜버른 대학교 화학과 산하 초고속 레이저 연구소(Ultrafast Laser Laboratory)에서 프로토타입의 성능을 검증했다.

• 첨단 분광학 기법: 듀얼 펨토초 레이저 증폭기 및 튜닝 가능한 광학 파라메트릭 증폭기 등 특수 장비를 활용했다.
• 정밀 관측: 초고속으로 진행되는 충전 신호들을 다양한 시간대에 걸쳐 정밀하게 기록하고 관측하는 데 성공했다.

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3. 향후 응용 및 과제

프로토타입 개발을 주도한 CSIRO의 제임스 쾈(James Quach) 박사는 “상온에서 빠르고 확장 가능한 충전 및 에너지 저장이 가능하다는 것을 입증했다”고 설명했다.

“우리의 발견은 양자 배터리가 크기가 커질수록 더 빨리 충전된다는 완전히 직관에 반하는 fundamental(근본적인) 양자 효과를 확인시켜 주었습니다. 아직 많은 연구가 남아있지만 에너지 저장 시간을 늘리는 것이 다음 목표입니다.” — 제임스 쾈, CSIRO 양자 과학 및 기술 리더

연구진은 이번 개념 증명(proof-of-concept)을 바탕으로 배터리의 에너지 유지 시간을 늘리는 연구에 집중할 계획이다.

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호주, 세계 최초 양자 배터리 프로토타입 공개… ‘크기가 커질수록 빨라진다’

호주 연구진이 양자역학을 기반으로 한 차세대 에너지 저장 기술의 실마리를 찾았다. CSIRO와 멜버른 대학교, RMIT 대학교의 공동 연구팀이 세계 최초로 양자 배터리의 개념 증명 프로토타입을 개발하고 실험을 통해 성능을 확인했다고 밝혔다.

멜버른 대학교의 초고속 레이저 연구소에서 진행된 실험에서, 연구팀은 첨단 분광학 기술을 동원해 시스템의 충전 동작을 정밀하게 기록했다. 이 과정에서 배터리 시스템이 빛을 한 번에 흡수하는 ‘초흡수’ 현상을 통해 기존 화학 배터리와는 비교할 수 없을 정도로 빠른 속도로 에너지를 흡수함을 확인했다.

특히 이번 연구에서 가장 주목받는 점은 배터리의 크기가 커질수록 충전 속도 또한 빨라지는 현상이다. 연구를 이끈 제임스 쾈 박사는 이 특성이 기존의 상식을 뒤엎는 결과라고 평가했다. 연구진은 상온에서도 양자 배터리의 작동이 가능함을 입증한 만큼, 향후 에너지 저장 시간의 한계를 극복하기 위한 후속 연구에 박차를 가할 예정이다.

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