바닷물이 전기가 된다…해수기반 자가충전 에너지 하베스터 개발

한국기계연구원

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

국내 연구진이 바닷물에 포함된 나트륨 이온의 이동을 이용해 지속적으로 전기 에너지를 생산하는 ‘에너지 하베스터’를 개발했다. 일상생활에서 사용되지 못하고 버려지는 에너지원을 활용해 전기 에너지를 생산한다. 향후 물 기반 에너지 하베스팅과 친환경 에너지 기술 개발 등 다양한 분야에서 원천기술로 활용될 것으로 기대된다. 
   
한국기계연구원은 현승민 나노융합연구본부 나노디스플레이연구실 책임연구원 연구팀이 정수환 경북대 응용화학공학부 교수 연구팀과 함께 해수 내 이온 이동을 통해 전기 에너지를 생산할 수 있는 친환경 자가 충전 에너지 하베스터를 개발했다고 11일 밝혔다. 

이번에 개발한 에너지 하베스터는 표면의 이온들이 활성화된 상태의 다중벽 탄소나노튜브와 산화 그래핀 필름을 각각 양극과 음극으로 사용한다. 바닷물을 전해질로 활용한다. 전해질 내의 양이온들이 상대적으로 표면 이온 활성도가 높은 음극 쪽에 더 많이 모여들게 되고 두 전극 사이의 이온 재배열로 전기 에너지 차이가 생성되는 원리를 사용한다.

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

연구팀은 에너지 하베스터가 방전 이후에도 외부 에너지 투입 없이 다시 초기의 개방 회로 전압을 회복해 지속적인 재사용이 가능하도록 했다. 이를 통해 기기의 회수가 어려운 바다와 같은 환경에서도 센서의 에너지 공급 장치로 지속적인 활용이 가능하게 했다.

개발된 에너지 하베스터는 1cm3(세제곱센티미터)당 4.6mW(밀리와트·1mW는 1000분의 1W)의 전력 밀도를 가진다. 이는 기존의 이온 하이드로겔로 이뤄진 물 기반 에너지 하베스터의 약 4.2배에 달하는 수치다. 계산기, 시계, 센서와 같은 소형 기기에 충분한 전력을 공급할 수 있는 수준이다. 면적을 확장하거나 여러 개를 연결함으로써 더 많은 전기 에너지를 생산할 수도 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, 용존무기질소 등 환경 모니터링이 필요한 곳의 센서 및 장치 등에 유용하게 사용될 것으로 기대한다”고 밝혔다. 연구 결과는 국제학술지 ‘화학공학회지’에 5월 게재됐다.

<참고 자료>
- doi.org/10.1016/j.ceja.2023.100498

[박정연 기자 hesse@donga.com]