"빛을 전기로" 광충전 전지 개발..'에너지 재활용' 성큼

UNIST, 송현곤 교수·권태혁 교수의 연구팀 개발
저조도 환경 효율 높은 '산화환원 중계물질'도 발견

실내조명으로 충전된 전지를 이용해 센서를 작동시키고 온도를 감지하는 연구 개념도(울산과학기술원 제공) 2020.05.21 / 뉴스1

(서울=뉴스1) 김승준 기자 = 실내조명의 '빛'을 전기로 바꿨다가 필요할 때 쓸 수 있는 '에너지 재활용'이 현실로 다가오고 있다.

울산과학기술원(UNIST)은 실내조명으로도 충전 가능한 이차전지를 송현곤 교수와 권태혁 교수의 연구팀이 개발했다고 21일 밝혔다.

연구진은 비교적 어두운 조명에도 반응해 전기를 생산하고 저장까지 가능한 '염료감응 광충전 전지'를 개발했다. 빛을 이용해 전기를 생산하는 염료감응 방식 태양광전지와 리튬 이차전지를 합쳤다. 새로운 전지로 사물인터넷 (Internet of Thing, IoT) 기기를 작동하는 데도 성공했다.

태양전지를 비롯한 광전지는 빛에 반응하는 물질을 이용해 전기를 만든다. 다양한 광전지 중 하나인 염료감응 태양전지는 아주 작은 빛에도 반응해 전기를 만드는데 낮은 밝기(저조도)의 실내조명에서도 생산이 가능하다. 문제는 밝기 변화에 민감하게 반응해 안정적으로 전력을 공급하기는 어렵다는 것이다. 이를 보완하기 위해 전기저장장치가 꼭 필요한데 지금까지는 '축전기'가 쓰였지만 전기저장 용량이 적어 상용화에 어려움을 겪고 있었다.

공동연구팀은 축전기 대신 '이차전지'를 연료감응 광전지에 붙여 전기 저장량을 늘리고자 했다. 문제는 이차전지 양극과 광전지 전극은 에너지 준위 차이 때문에 광전지에서 생산한 전기가 이차전지로 원할히 흐르지 않는다는 것이다.

염료감응 광충전 이차전지의 구조와 작동원리 (울산과학기술원 제공) 2020.05.21 / 뉴스1

공동 1저자인 이명희 에너지공학과 박사과정 연구원은 "광전지와 이차전지를 융합하려면 (빛을 받아) 광전극에서 생성된 전자가 이차전지의 전극까지 안정적으로 이동해야 한다"며 "리튬 이차전지의 전극으로 사용되는 리튬망간산화물의 표면에 탄소를 주입해 음극으로 사용함으로써 광전지와 이차전지의 에너지 준위 차를 맞출 수 있었다"고 설명했다.

또 연구팀은 저조도 환경에서 효과적으로 작동하는 '산화환원 중계물질'을 찾아내 광전변환효율을 높였다. 염료감응 태양전지의 염료는 식물의 엽록소처럼 태양광을 받아 에너지를 생산한다. 염료가 빛을 받으면 전자를 잃어버리는 산화 반응이 일어나고 이 전자가 이동하면서 전기가 만들어진다. 산화환원 중계물질은 염료가 잃어버린 전자를 다시 채워주는 역할을 하는데 저조도 환경에 적합한 중계 물질을 찾은 것이 이번 연구의 또 다른 의의다.

공동 1저자로 참가한 김병만 자연과학부 연구조교수는 "어두운 환경에서는 중계물질이 얼마나 빨리 움직이느냐보다는 열역학적 특성인 방전 전압이 얼마나 높은지가 더 중요했다"며 "광충전 소자를 만들때 밝기 환경에 따른 중계물질의 선택기준을 제시했다"고 말했다.

송현곤 교수는 "새로 개발한 염료감응 광충전 전지는 실내조명 아래서 11.5%라는 에너지변환·저장효율을 달성했다"며 "이번에 개발한 광충전 전지 6개를 LED 실내조명으로 10분 충전 후 상용 IoT 센서를 작동하는 데도 성공해 상용화 가능성도 높다"고 전망했다.

이번 연구는 '에너지 및 환경과학(Energy & Environmental Science, EES)' 표지 논문으로 선정됐다. 이번 연구는 과학기술정보통신부와 산업통상자원부, 에너지기술평가원, 울산과학기술원의 지원으로 이뤄졌다.

seungjun241@news1.kr