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UNIST연구진, 실내조명으로 무선 충전 가능한 배터리 개발..'에너지 재활용' 기대

기사승인 2020.05.21  22:30:02

이다예

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6면  
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- 송현곤(에너지 및 화학공학부)·권태혁(자연과학부) 교수팀

   
 
  ▲ (왼쪽부터) UNIST 권태혁 교수, 김병만 연구원, 이명희 연구원, 송현곤 교수. 울산과학기술원 제공.  
 
   
 
  ▲ 실내조명으로 충전된 전지를 이용해 iot 센서를 작동시키고 온도를 감지하는 모습. 울산과학기술원 제공.  
 
   
 
  ▲ 염료감응 광충전 이차전지의 구조와 작동원리. 울산과학기술원 제공.  
 
   
 
  ▲ 조도(밝기)변화에 따른 산화환원 중계물질별 연료감응 광충전 전지의 성능. 울산과학기술원 제공.  
 

국내 연구진이 실내조명으로 무선 충전할 수 있는 배터리(이차전지)를 개발해 주목할 만하다. 도심에서 조명으로 낭비되는 ‘빛’을 전기로 바꿨다가 필요할 때 쓰는 ‘에너지 재활용’이 가능할 것으로 기대된다.
울산과학기술원(UNIST)은 송현곤(에너지 및 화학공학부)·권태혁(자연과학부) 교수팀이 어두운 조명에도 반응해 전기를 생산하고, 저장까지 가능한 ‘염료감응 광(光)충전 전지’를 개발했다고 21일 밝혔다.
태양전지를 비롯한 광전지는 빛에 반응하는 물질을 이용해 전기를 생산한다. 다양한 광전지 중 염료감응 태양전지는 아주 작은 빛에도 반응하므로 낮은 밝기(저조도)의 실내조명에서도 전기 생산이 가능하다.

하지만 밝기 변화에 민감해 안정적으로 전력을 공급하기는 어려워 축전기가 쓰였는데, 이 또한 전기저장 용량이 적어 상용화는 어려웠다.
연구진은 축전기 대신 이차전지(배터리)를 사용해 더 많은 전기 에너지를 저장하는 방법을 찾아냈다.
기존 이차전지 양극과 광전지 전극은 ‘에너지 준위’(원자와 분자가 갖는 전자의 위치 에너지) 차이가 있어서 둘을 합치기 어려웠는데, 양쪽 반응성(리튬 이온을 받는 반응과 주는 반응이 모두 가능한 물질)을 갖는 ‘리튬망간산화물’ 표면에 탄소를 주입해 두 시스템의 에너지 준위를 맞춘 것이다.
또 연구진은 저조도 환경에서 효과적으로 작동하는 ‘산화환원 중계물질’을 찾아내 광전변환효율을 높였다. 염료감응 태양전지는 ‘염료’가 식물 엽록소처럼 태양광을 받아 에너지를 생산한다.
염료가 빛을 받으면 전자를 잃어버리는 산화 반응이 일어나고, 이 전자가 이동하면서 전기가 만들어지는 것이다. 산화환원 중계물질은 염료가 잃어버린 전자를 보충하는 역할을 하는데, 저조도 환경에서 적합한 특성은 따로 있었다.
권태혁 교수는 “실내조명은 전체 에너지 소비의 10%에 육박할 정도라, ‘에너지 재활용’ 효과는 막대할 것으로 기대한다”며 “태양광뿐 아니라 다양한 광원을 활용할 수 있는 광(光)전지 연구의 방향성을 제시한 연구”라고 강조했다.
송현곤 교수는 “새로 개발한 염료감응 광충전 전지는 실내조명 아래서 11.5%라는 높은 에너지변환·저장효율을 달성했으며, 이는 저조도 환경에서 세계 최고”라며 “ 광충전 전지 6개를 직렬로 연결해 실내조명(LED)으로 10분 충전한 후 상용 IoT 센서를 작동하는 데도 성공해 상용화 가능성도 높다”고 밝혔다.
이번 연구는 에너지 분야의 권위 학술지인 ‘에너지 및 환경과학’(Energy & Environmental Science, EES) 표지 논문으로 선정돼 5월 20일에 출판됐다.


이다예 yeda0408@iusm.co.kr

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