- 기존 기술 대비 4.2배 전력 생산, 바다 환경 모니터링 장치 등 소형기기 활용 기대 

바닷물에 포함된 나트륨 이온의 이동을 이용해 지속적으로 전기 에너지를 생산하는 ‘에너지 하베스터’*가 개발됐다. 이 기술은 향후 물 기반 에너지 하베스팅과 친환경 에너지 기술 개발 등 다양한 분야에서 원천기술로 활용될 전망이다.

* 에너지 하베스터: 일상생활에서 사용되지 못하고 버려지는 에너지원을 활용하여 전기 에너지를 생산해 내는 장치

과학기술정보통신부 산하 한국기계연구원(원장 류석현, 이하 기계연) 나노융합연구본부 나노디스플레이연구실 현승민 책임연구원, 소혜미 선임연구원 연구팀과 경북대학교(총장 홍원화) 응용화학공학부 정수환 교수팀은 해수 내 이온 이동을 통해 전기 에너지를 생산할 수 있는 친환경 자가 충전 에너지 하베스터를 개발했다.

한국기계연구원 나노융합연구본부 나노디스플레이연구실 현승민 책임연구원(오른쪽) 연구팀이 해수 기반의 에너지 하베스터 성능 측정을 위한 실험을 진행하고 있다.

기계연에서 개발한 에너지 하베스터는 산소 기능기 함량이 다른 다중벽 탄소나노튜브와 산화 그래핀 필름을 각각 양극과 음극으로 사용하고, 전해질로 바닷물을 활용해 구성된다. 이 과정에서 전해질 내의 양이온들이 상대적으로 산소 기능기 함량이 높은 음극 쪽에 더 많이 모여들게 되고, 두 전극 사이의 이온 재배열로 인해 전기 에너지 차이가 생성되는 원리다.

개발된 에너지 하베스터를 해수 성분과 유사하게 구성한 전해질 용액에 투입하기 전(왼쪽)과 후(오른쪽)

기존 물 기반 에너지 하베스터의 경우 에너지 전환 효율이 낮거나, 재사용을 위해 물의 기계적인 움직임을 계속 발생시켜야 하므로 외부 에너지가 투입되어야 했다. 따라서 지속적인 사용이 어렵고, 외부 에너지를 투입할 수 없는 환경에서는 사용에 한계가 있었다.

연구팀은 방전 이후에도 외부 에너지 투입 없이 다시 초기의 개방 회로 전압을 회복하여 지속적인 재사용이 가능하도록 했다. 따라서 기기의 회수가 어려운 바다와 같은 환경에서도 센서의 에너지 공급 장치로 지속적인 활용이 가능하다.

방전 전류 밀도와 이온 재배치 속도 차이에 의한 구동 메커니즘.

(왼쪽) 높은 전류 밀도 (0.5 μA/㎠)로 방전: 급격한 전압 감소가 일어나고, 회로 개방시 자가 충전을 통해 전압 회복

(오른쪽) 낮은 전류 밀도 (0.1 μA/㎠)로 방전: 지속적인 이온 재배치로 전압 소모와 회복 속도가 평형 상태에 도달하여 일정 전압 유지

개발된 에너지 하베스터는 24.6 mW/㎤의 전력 밀도를 가진다. 이는 기존의 이온 하이드로겔로 이뤄진 물 기반 에너지 하베스터(전력밀도 5.9mW/㎤)의 약 4.2배에 달하는 수치로 계산기, 시계, 센서와 같은 소형 기기에 충분한 전력을 공급할 수 있는 수준이다. 

또한 개발된 에너지 하베스터의 경우, 면적을 확장하거나 여러 개를 연결함으로써 더 많은 전기 에너지를 생산할 수도 있다.

제작된 자가 충전 에너지 하베스터로 전자 소자들을 구동시키고 있다.

현승민 책임연구원은 “이번에 개발한 기술은 지속적인 자가 충전이 가능해 외부 에너지 투입 없이도 사용할 수 있는 친환경 에너지 하베스팅 기술”이라며, “바다에서 온도, 화학적 산소요구량, 용존 무기질소 등 환경 모니터링이 필요한 곳의 센서 및 장치 등에 유용하게 사용될 것으로 기대한다”고 밝혔다.

이번 연구는 과학기술정보통신부, 한국연구재단의 과기부-국가연구개발사업 “친환경 분해가능 배터리 개발 및 특성 평가” 및 기계연 기본사업 “나노기반 옴니텍스(Omni-TEX) 제조 기술 개발” 과제로 수행되었으며, 화학공학 분야의 권위 있는 저널인 ‘케미칼 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal, IF: 13.3)**’에 게재됐다.

** 논문 제목: “Continuous and self-charging electricity generator based on saltwater”(2024.5.15. 발표)

한국기계연구원 나노융합연구본부

나노디스플레이연구실 현승민 책임연구원

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