조명으로 낭비되는 '빛'을 재활용하다.

조명으로 낭비되는 '빛'을 재활용하다

15기 민정윤, 17기 백도학

 

 식물의 엽록소가 태양의 빛을 이용하여 에너지를 만들 듯, 상대적으로 어두운 실내조명에도 반응해 전기를 생산하고 효율적으로 저장할 수 있는 장치가 개발되었다고 한다. 이는 UNIST에서 연구 및 개발한 것으로 ‘염료감응 광(光) 충전 전지’이다. 미활용 에너지를 효율적으로 재활용할 수 있는 ‘염료감응 광(光) 충전 전지’는 과연 무엇일까? ‘염료감응 광(光) 충전 전지’는 더 많은 전기를 저장하기 위해 ‘염료감응 태양전지'와 '리튬 이차전지'를 결합한 것이다. 그렇다면 '염료감응전지'와 '리튬 이차전지'는 무엇일까? ‘염료감응 광(光) 충전 전지’ 소개에 앞서 간단히 살펴보고자 한다.

 

염료감응전지와 리튬 이차전지는 무엇일까?

 '염료감응전지(dye-sensitized solar cell; DSC)'란 태양전지는 유기물 태양전지 중 하나로, 염료 분자가 나노결정 입자 표면에 흡착되어 있는 것이다. 이는 다른 태양전지 기술과 비교하여 확산 광 조건과 보다 높은 온도에서 상대적으로 양호하게 기능을 수행한다. DSC는 형상, 색상 및 투명도에서 선택의 폭이 큰 태양전지를 설계할 수 있는 가능성을 제공한다. 즉, 반투명하고 다양한 색상을 구현할 수 있어 건물 일체형 태양광 발전 시스템에 가장 적합한 태양전지로 알려져 있다.

[자료 1. 염료감응 태양전지 설치]

출처 : 솔라투데이

 '리튬 이차전지'는 양극활물질과 음극활물질 사이의 화학 에너지 차이를 이용한 것으로, 방전 시 음극활물질에 있는 리튬 이온이 전해질을 통해 화학 에너지 준위가 상대적으로 낮은 양극활물질로 자발적으로 삽입되고, 이때 전자가 외부 도선으로 흐르면서 전원 역할을 수행하는 것이다. 충전은 방전과 반대로 양극활물질의 에너지 준위를 외부 회로(충전기)를 통해 높게 만들어 리튬 이온이 음극활물질로 저장되는 과정을 거치게 된다. 이때, 양극활물질은 리튬 이온을 많이 함유할수록 전지의 용량이 커지며, 장기간 충･방전에 따라 양극활물질의 결정구조가 안정적으로 유지되어야 전지 수명이 길어지는 등 전지 성능에 가장 큰 영향을 미치며, 원재료비에서 차지하는 비중도 가장 큰 핵심소재이다. 리튬 이차전지는 현재 상용화되어 있는 이차전지 중에 가장 성능이 우수한 전지이다.

 

염료감응 광 충전 전지에 대한 소개

 수많은 대체 에너지원이 현존하고 있으나, 이 중에서도 가장 지리적인 조건의 영향을 적게 받고 많은 에너지를 만들 수 있는 태양광을 가장 성장 가능성이 높은 에너지원으로 보았다. 태양광을 이용하는 광 화학전지를 상용화를 위해서는 광-에너지 전환 효율을 높이는 것뿐 아니라 저장 효율을 높이는 방법에 대해서도 개선이 필요하다. 또한, 날씨에 따라 맑은 날과 흐린 날이 있을 수 있으므로 밝은 빛에서의 효율뿐 아니라 희미한 빛에서의 효율까지도 높일 수 있는 방법에 대한 연구가 필요한 실정이었다. 또한, 광-에너지의 전환뿐 아니라 충전까지도 일체화된 올인원 시스템이 구비된 광 화학전지에 대한 산업계의 요구가 존재하고 있던 상황이었다.

 기존 UNIST는 태양전지의 발전을 도모하는 연구를 많이 진행해왔다. 태양전지 전극 소재에 사용되는 백금을 탄소로 대체하는 기술을 통해 염료감응 태양전지의 상용화 가능성을 열었고, 이제는 리튬 이차전지와 염료감응 태양전지를 이용하여 염료감응 광 충전 전지를 개발하였다. 기존의 태양전지를 비롯한 광전지는 빛에 반응하는 물질로 전기를 생산해내는데, 염료감응 태양전지는 낮은 밝기의 조명에서도 전기를 생산할 수 있다. 하지만 이는 밝기 변화에 민감하여 안정적인 전기 공급이 힘들다는 단점을 가지고 있는데, 이를 개선하고자 기존에 사용되어왔던 전기 저장장치인 축전기를 대신하여 리튬 이차전지를 사용한 것이다. 축전기는 전기 저장 용량이 적어 염료감응 태양전지의 상용화를 어렵게 만들었으나 이차전지를 사용함으로써 더 많은 전기에너지를 저장할 수 있게 된 것이다.

[자료 2. IoT를 작동시키는 염료감응 광 충전 전지]

출처 : UNIST

 염료감응 태양전지는 염료가 빛을 받아 전자를 잃어버리는 산화 반응이 일어나면서 전자가 발생하고, 이 전자가 이동하며 전기를 발생시킨다. 이때 광전지와 이차전지를 융합하기 위해서는 광전극에서 생성된 전자가 이차전지 양극으로 안정적으로 이동해야 하는데 기존의 이차전지 양극, 광전지 전극이 에너지 준위의 차이가 존재해서 둘을 합치기 어려움을 겪었다. 이를 UNIST에서 리튬 이차전지를 양극으로 사용하고 양쪽 반응성을 지닌 리튬망간 산화물의 표면에 탄소를 주입하여 음극으로 사용함으로써 에너지 준위를 맞추었다. 그리고 희미한 빛 아래에서도 전기를 생산할 수 있게 도와주는 '산화환원 중계 물질'을 찾아내었다. 이는 저조도 환경에서 효과적으로 염료가 잃어버린 전자를 보충하는 역할을 해주어 생산성을 높이도록 도와주는 것이다. 덧붙여 염료감응 광 충전 전지는 실내조명 아래에서 11.5%의 에너지 변환/저장 효율을 보여주었는데 이는 저조도 환경 아래 세계 최고 수준에 달한다.

기대효과

 UNIST의 권태혁 교수는 실내조명이 전체 에너지 소비의 10%를 차지하기 때문에 염료감응 광 충전 전지를 통해 ‘에너지 재활용’ 효과가 클 것이라고 말했다. 덧붙여 태양광뿐만 아니라 다양한 광원을 이용하여 광전지 연구의 방향성을 제시할 수 있을 것이라고 언급했다. 또한 UNIST 팀은 이를 이용하여 광 충전 전지 6개를 직렬로 연결해 실내조명을 이용한 10분간의 충전만으로 사물인터넷(IoT) 기기를 작동하는 데에도 성공하여 상용화 가능성을 입증하였다. 또한 현재 버려지는 에너지에 집중하여 에너지 하베스팅에도 염료감응 광충전 전지가 한몫할 수 있을 것이다. 염료감응 광충전 전지를 기점으로 주변 속에서 흔히 볼 수 있는 것들로 전기를 만들 수 있는 시대가 오기를 기대한다.

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참고문헌

[염료감응전지와 리튬 이차전지는 무엇일까?]

1) 조윤상, '리튬 이차전지 시장 및 기술동향 분석과 대응 방향', KDB산업은행 경제연구소, 2019

2) 한치환, ’염료감응형 태양전지 기술과 발전 방향‘, 한민족과학기술자네트워크(KOSEN)

[염료감응 광충전 전지에 대한 설명]

1) 광-에너지 전환/저장 효율이 향상된 염료감응형 자가충전 광 화학전지 및 그 제조방법, 울산과학기술원, 2019. 08. 09

2) ‘실내조명’으로도 충전되는 ‘배터리’ 개발, UNIST 대외협력팀, 2020.05.22.

https://news.unist.ac.kr/kor/20200521-1/