양자배터리 시제품 세계 첫 개발…"용량 클수록 더 빨리 충전"

호주 멜버른대학교와 RMIT대, 호주연방과학산업연구기구(CSIRO) 공동 연구진이 세계 최초로 양자 배터리 프로토타입을 개발했다고 과학 매체 인터레스팅엔지니어링이 18일(현지시간) 보도했다. 외신에 따르면 양자 배터리는 용량이 커질수록 충전 속도가 빨라지는 독특한 특성을 지녀, 향후 기존 화학 배터리를 대체할 가능성이 있는 기술로 주목 받고 있다. 해당 연구 결과는 광학 분야 국제 학술지 '빛: 과학과 응용(Light: Science & applications)'에 게재됐다. 제임스 콰치 CSIRO 연구원은 2018년부터 양자 배터리 개념을 연구해왔으며, 2022년에는 초기 프로토타입 제작에 성공했다. 당시에는 충전만 가능했으나, 이번에는 충전과 방전이 모두 가능한 배터리를 구현하는 데 성공했다. 양자 배터리 작동 원리 이번에 개발된 배터리는 빛을 가둘 수 있는 다양한 소재로 구성된 다층 유기 마이크로캐비티 구조를 기반으로 한다. 레이저를 이용해 무선으로 충전된다. 연구진은 첨단 분광 기술을 통해 충전 과정을 확인했다. 연구진은 배터리 소재에서 나타나는 특이한 양자 효과를 통해 '집단 효과(collective effect)'를 입증했다. 집단효과란 각 단위가 개별적으로 충전되는 것이 아니라 집단적으로 충전되는 것을 의미한다. 기존 배터리와 달리, 양자 배터리는 더 많은 단위가 결합될수록 충전 속도가 빨라지는 특징을 보인다. 예를 들어 배터리가 N개 단위로 구성되고 각 단위를 개별적으로 충전하는 데 1초가 걸린다면, 이들이 결합된 양자 배터리는 1/√N초 만에 끝낼 수 있다. 즉, 단위 수가 늘어날수록 충전 시간은 더욱 짧아진다. 이는 용량이 증가할수록 충전 시간이 길어지는 기존 화학 배터리와 대비되는 특징이다. 상용화까지는 과제 남아 콰치 연구원은 “이번 개념 증명 장치는 상온에서 빠르고 확장 가능한 충전과 에너지 저장을 구현하며, 차세대 에너지 기술의 기반을 마련한다”고 설명했다. 다만 이번 연구가 곧바로 상용화를 의미하는 것은 아니다. 현재 배터리가 저장할 수 있는 에너지량은 수십억 전자볼트(eV) 수준으로 매우 제한적이며, 스마트폰을 충전하기에도 부족하다. 또한 저장된 전하를 유지할 수 있는 시간 역시 수 나노초 수준에 불과하다. 그럼에도 불구하고 이번 연구는 양자 배터리의 잠재력을 입증한 사례로 평가된다. 연구진은 향후 시제품의 규모를 확대하고 에너지 저장 지속 시간을 늘리는 방향으로 연구를 진행할 계획이다. 양자 배터리는 특히 양자 컴퓨터와의 결합 가능성이 높은 기술로, 시스템 확장성 개선에도 기여할 수 있을 것으로 기대된다. 연구진은 “궁극적으로는 전기차를 기존 내연기관 차량보다 훨씬 빠르게 충전하거나, 장거리에서도 무선으로 기기를 충전할 수 있는 미래를 구현하는 것이 목표”라고 밝혔다.