에너지
양자 배터리 최초 프로토타입, 새로운 형태의 에너지 저장 창출
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에너지를 저장하는 방법은 대체로 일관되어 있습니다. 가장 일반적인 방법은 화학 반응을 이용하는 형태이며, 보통 리튬과 같이 전기 반응성이 높은 원소를 사용해 금속에서 이온으로, 혹은 그 반대로 전자를 이동시켜 전기 에너지를 저장합니다.
또 다른 에너지 저장 방식은 초고용량 커패시터(ultracapacitor)로, 그래핀과 같은 물질 표면에 전하를 직접 저장합니다. 마지막으로 열이나 움직임 형태로 에너지를 저장하는 방법도 있으며, 이는 열 배터리와 플라이휠 등에 적용됩니다.
하지만 호주 연방 과학산업연구소(CSIRO), RMIT 대학, 멜버른 대학 연구진이 새로운 에너지 저장 방식을 추가한 것으로 보입니다.
그들은 전하, 화학 반응, 열·운동이 아닌 양자 효과를 활용하는 “양자 배터리”의 초기 프로토타입을 공개했습니다. 이들은 이 결과를 권위 있는 리뷰 Light Sciences & Applications1에 발표했으며, 논문 제목은 “Superextensive electrical power from a quantum battery”입니다.
양자 배터리란?
화학적·전기적 전하 대신, 양자 배터리는 양자역학의 직관에 반하는 원리인 중첩과 얽힘을 이용합니다.
얽힘은 두 개 이상의 입자가 매우 깊게 연결되어 거리와 무관하게 하나의 양자 상태를 공유하는 현상입니다.
지금까지 이 아이디어는 이론적으로는 활발히 연구되었지만, 실제 세계에서 이를 검증하는 실험은 매우 드뭅니다.
연구진이 개발한 프로토타입의 핵심 아이디어는 빛을 가두어 전기로 변환하는 마이크로공명기(microcavity) 시스템입니다. 여기서는 Fabry‑Pérot 공명기를 사용했으며, 이는 두 개의 평행 거울 사이에서 빛이 반사되는 “샌드위치” 구조로, 새로운 센서 등 다양한 응용 분야에서 이미 고려되고 있습니다.
또 다른 핵심 개념은 초흡수(superabsorption) 현상으로, 이는 초복사의 반대 현상입니다. 초흡수는 여러 원자·분자가 개별 흡수율의 합보다 빠른 속도로 집단적으로 빛을 흡수하는 양자역학적 현상입니다.
따라서 일반 물질처럼 단순히 합산되는 것이 아니라, 흡수 능력이 기하급수적으로 증가합니다.
그 결과, 입자 집합은 이론적으로 독립 입자보다 최대 10배 빠르게 빛을 흡수할 수 있어, 배터리 시스템에 매우 유용할 수 있습니다.
실제로 초흡수는 실용적인 설정에서 유지하기 어려운데, 자연계는 빛 방출을 선호하는 경향이 있기 때문입니다.
양자 배터리 최초 프로토타입
연구진은 다층 마이크로공명기 설계를 사용했으며, 구리 푸탈로시아닌(CuPc)이라는 밝은 파란색 합성 색소를 활용했습니다. 이 색소는 OLED와 태양전지에서 유기 반도체로 흔히 사용됩니다.
이 설계는 강한 빛‑물질 결합, 즉 빛과 생성된 전류 사이의 상호작용을 만들어냅니다.
“충전 시, 에너지는 CuPc 내의 메타안정 삼중항 상태로 빠르게 전달되며, 이 상태는 충전 레이저 펄스보다 10⁶배 더 오래 지속됩니다. 전하 전달층은 에너지 구배를 도입해 전하 분리와 이동을 촉진합니다.”
특히 이 설계는 배터리 용량에 따라 전력 출력이 초확장적으로(초흡수 + 초복사) 증가하도록 합니다. 따라서 물질이 많이 존재할수록 전기 방전 속도가 빨라집니다.
“우리의 발견은 양자 배터리가 크기가 커질수록 더 빨리 충전된다는 완전히 직관에 반하는 근본적인 양자 효과를 확인시켜 줍니다. 오늘날의 배터리는 이런 방식으로 작동하지 않습니다.”
양자 배터리 최초 결과
이 프로토타입은 양자 이론으로는 예측되지 않았던 초확장적인 정상 상태 전기 방전 전력을 최초로 실험적으로 관찰했으며, 양자 배터리 분야에 명백한 응용 가능성을 보여줍니다.
보다 정확히는 초고속 분광법을 이용해 배터리 충전 행동을 측정했으며, 양자 배터리가 충전 시간보다 10⁶배(여섯 자리) 더 오래 에너지를 저장한다는 것을 발견했습니다.
“우리는 충전·저장·방전이 가능한 장치를 구현했습니다. 이는 빠르게 성장하는 융합 분야에서 흥미로운 발전이며, 양자 배터리가 곧 이론적 아이디어를 넘어 실험실에서 구현될 수 있기를 기대합니다.”
Daniel Gómez – RMIT 화학 물리학 교수.
또한 마이크로공명기는 레이저와 같은 코히런트 광뿐 아니라 “일반” 광으로도 충전할 수 있어, 잠재적인 배터리를 넘어 실용적인 응용에도 유연성을 제공합니다.
실용 양자 배터리를 향하여
저장된 에너지 안정화
현재까지 실험된 마이크로공명기는 에너지를 50나노초 정도만 안정적으로 유지할 수 있어, 실제 에너지 저장 용도로는 부족합니다.
하지만 이는 올바른 방향으로 나아가고 있으며, 실온에서 작동하는 기존 마이크로공명 양자 배터리보다 10³배 더 긴 시간입니다. 규모가 큰 시스템은 설계 개선 없이도 에너지 유지 기간이 훨씬 길어질 가능성이 높습니다.
에너지 추출 실험 결과, 장치는 10‑40 microwatt/cm2의 합리적인 최대 방전 전력 밀도를 보였으며, 이는 고성능 마이크로‑슈퍼커패시터(30‑175 microwatt/cm2)와 비교해도 충분히 괜찮은 수치입니다.
게다가 이 성능은 실온·상온 조건에서 달성되었으며, 초전도와 같이 초저온이나 고압을 필요로 하는 양자 현상과는 달리 드문 경우입니다.
이 프로토타입이 대용량 에너지 저장 경로를 확장 가능하게 보여주므로, 실용적인 양자 배터리를 향한 견고한 첫 걸음이라 할 수 있습니다.
다음 단계
다음 개선 과제는 설계를 확대하고, 동일 장치 내에 더 많은 마이크로공명기를 배치했을 때 초흡수가 실제 성능을 얼마나 향상시키는지 측정하는 것입니다.
또 다른 핵심 과제는 에너지 저장 기간을 근본적으로 연장하는 것입니다. 규모가 큰 장치, 저온 환경, 혹은 특수 격자 구조가 도움이 될 수 있습니다.
“양자 배터리 연구에는 아직 많은 과제가 남아 있지만, 우리는 가능성을 실현하는 중요한 발걸음을 내디뎠습니다. 현재 양자 배터리의 다음 단계는 에너지 저장 시간을 연장하는 것입니다. 이 장벽을 극복한다면 상업적으로 실현 가능한 양자 배터리에 한 걸음 더 다가가게 됩니다.”
장기적으로 이러한 배터리는 화학 기반 배터리보다, 혹은 최소한 슈퍼커패시터보다 뛰어난 성능을 보일 수 있으며, 무거운 기계, 전기 트럭 등에서 화학 배터리와 병행해 사용되는 경우가 늘고 있습니다.
또한 표준 배터리를 더 빠르게 충전하는 고체 릴레이·버퍼 역할을 하거나, 보다 효율적인 새로운 태양광 패널의 기반이 될 수도 있습니다.
“저의 궁극적인 목표는 전기차를 휘발유 차보다 훨씬 빠르게 충전하고, 장거리 무선으로 기기를 충전할 수 있는 미래를 만드는 것입니다.”
이 프로토타입이 밝혀낸 현상은 양자 배터리를 넘어 빛‑전력 변환 장치, 예를 들어 새로운 형태의 광전지 시스템에도 활용될 수 있습니다.
양자 배터리 투자
QuantumScape
QS 가격 차트
이 양자 배터리 프로토타입은 아직 최초이기 때문에 직접적인 투자 방법은 없습니다. 하지만 배터리 기술은 빠르게 발전하고 있으며, 내연기관 차량에서 전기차(EV)로의 전환이 단기간에 이루어질 가능성이 커지고 있습니다. 전기차는 곧 더 높은 출력, 더 긴 주행 거리, 그리고 운영 비용 절감을 제공할 것이며, 이는 이란 전쟁으로 인한 석유 가격 급등 이전의 상황이었습니다.
이러한 진화의 핵심은 전해질을 제거한 고체‑상 배터리이며, 이는 리튬이온 배터리보다 밀도가 높고 안전합니다.
이 분야의 선두 기업은 2010년에 설립되어 폭스바겐 그룹과 깊은 파트너십을 맺고 세계 2위 자동차 제조사의 전기차 기술 격차를 메우고자 하는 QuantumScape입니다.
출처: QuantumScape [securities_stock_price_tag symbol="QS" exchange="NASDAQ"]
2024년 계약에 따라, PowerCo(폭스바겐 배터리 부문)는 연간 최대 40 GWh의 전기차 배터리를 생산할 수 있으며, 80 GWh까지 확대할 옵션도 있습니다. 또한 폭스바겐은 QuantumScape가 매년 추가로 5 GWh의 여유 용량을 제공하도록 허용하여, 폭스바겐 그룹 외 고객에게도 공급하고 향후 QS 기술 라이선스 권리를 부여합니다.
2025년에는 QuantumScape 배터리가 고급 전기 Ducati 바이크에 적용되었습니다. Ducati는 폭스바겐 그룹에 속해 있으며, Audi, Bentley, CUPRA, Lamborghini, Porsche, SEAT, Škoda 등과 함께합니다.
(TSLA )QuantumScape의 배터리 설계는 에너지 밀도가 매우 높아 테슬라가 사용하는 최고의 리튬이온 설계보다 훨씬 우수하며, 충전 속도가 2‑3배 빠릅니다. 이는 전기차의 느린 충전 문제를 해결해 연료차에 익숙한 소비자들에게 큰 장점이 됩니다.
출처: QuantumScape
짧은 상용화 일정과 연간 수백만 대의 차량을 판매하는 자동차 그룹과의 견고한 파트너십 덕분에 QuantumScape는 서구 제조업체들의 주요 배터리 공급업체로 자리매김할 가능성이 높으며, 경쟁 상대는 중국 배터리 제조업체인 CATL이나 비교적 새로운 Donut Labs와 같은 기업들입니다.
현재 QuantumScape는 배터리 대량 생산을 확대하고 있으며, Ducati 바이크는 기술 시연에 불과합니다. 곧 포르쉐, Audi 등과 같은 브랜드의 새로운 전기차 라인에 QuantumScape 배터리가 탑재되어 시장에 출시될 예정입니다.
(당신은 QuantumScape와 그 고체‑상 배터리 설계에 대해 우리의 투자 보고서에서 자세히 읽을 수 있습니다 그리고 폭스바겐과 그 전기차 전략에 관한 다른 전용 보고서에서도 확인하십시오.)
최신 QuantumScape (QS) 뉴스 및 개발
참조 연구
1. Hymas, K., Muir, J.B., Tibben, D. et al. Superextensive electrical power from a quantum battery. Light Sciences & Applications 15, 168 (2026). https://doi.org/10.1038/s41377-026-02240-6
