기존 민물 기반 기술에 비해
4.2배 달하는 전력 밀도 가져
"해양환경 모니터링 등에 유용"
바닷물에 포함된 나트륨 이온의 이동을 통해 전기 에너지를 지속적으로 생산하는 '에너지 하베스터'가 개발됐다.
에너지 하베스터는 일상 생활에서 버려지는 진동, 압력 등 에너지를 수확해 전기 에너지로 변환할 수 있는 장치다.
경북대 응용화학공학부 정수환 교수팀 과학기술정보통신부 산하 한국기계연구원 나노융합연구본부 나노디스플레이연구실 현승민 책임연구원, 소혜미 선임연구원은 해수 내 이온 이동을 통해 전기에너지를 생산할 수 있는 친환경 자가 충전 에너지 하베스터를 개발했다.
이들 연구팀이 개발한 에너지 하베스터는 산소 기능기 함량이 다른 다중벽 탄소나노튜브, 산화 그래핀 필름을 각각 양극과 음극으로 사용하고 전해질로 바닷물을 활용한다.
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.
기존 물 기반 에너지 하베스터의 경우 에너지 전환 효율이 낮거나, 재사용을 위해 물의 기계적인 움직임을 계속 발생시켜야 한다. 외부 에너지가 투입돼야 했다. 이에 따라 지속 사용이 어렵고, 외부 에너지를 투입할 수 없는 환경에서는 사용에 한계가 있었다.
연구팀은 방전이 된 후에도 외부 에너지 투입 없이 다시 초기의 개방 회로 전압을 회복해 지속적인 재사용이 가능하도록 했다.
때문에 기기 회수가 어려운 바다에서도 센서의 에너지 공급 장치로 지속적인 활용이 가능하다. 또 면적을 확장하거나 여러 개를 연결해 더 많은 전기 에너지를 생산할 수 있다.
개발한 에너지 하베스터는 기존의 이온 하이드로겔로 이뤄진 물 기반 에너지 하베스터의 약 4.2배에 달하는 수치로 계산기, 시계, 센서와 같은 소형 기기에 충분한 전력을 공급할 수 있다.
현승민 책임연구원은 "이번에 개발한 기술은 바닷물만 있으면 지속적인 자가 충전이 가능한 친환경 에너지 하베스팅 기술"이라며 "해양 환경에서 각종 전자장비를 운영할 경우, 특히 환경 모니터링이 필요한 곳에서 유용하게 사용될 것으로 기대한다"고 밝혔다.
이번 연구는 화학공학 분야 국제학술지 '케미칼 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal)'에 게재됐다.