실내조명으로 '배터리' 충전한다

실내조명으로부터 생산된 빛에너지를 전기에너지로 전환해 저장한 배터리를 IoT기기와 연결해 실시간으로 실내 환경 정보(온도, 습도)를 확인하고 있는 모습이다.

[아시아경제 황준호 기자] 국내 연구진이 실내 조명으로 무선충전이 가능한 이차전지를 개발했다. 어두운 조명에도 반응해 전기를 생산하고 저장까지 가능한 기술이다. 도심 내 조명의 빛을 전기로 바꿨다가 필요할 때 쓰는 에너지 재활용이 가능해질 것으로 예상된다.

울산과학기술원은 송현곤, 권태혁 교수 연구팀이 빛을 이용해 전기를 생산하는 연료감응 태양전지와 리튬이온전지를 결합한 염료감응 광(光)충전 전지를 개발했다고 21일 밝혔다.

염료감응 광충전 이차전지의 구조와 작동원리.

연구팀은 낮은 밝기의 실내조명에도 전기를 생산할 수 있는 연료감응 태양전지(광전지)가 안정적으로 전력을 공급할 수 있도록 이차전지를 붙여, 안정적으로 전기를 저장할 수 있도록 개선했다. 광전지의 전극과 이차전지의 양극은 에너지 준위 차이가 있어 합치기 어려운데, 이를 해결한 것이다.

공동 1저자인 이명희 UNIST 에너지공학과 박사과정 연구원은 "광전지와 이차전지를 융합하려면 광전극에서 생성된 전자가 이차전지 양극까지 안정적으로 이동해야 한다"며 "리튬 이차전지의 양극으로 주로 사용되며, 양쪽 반응성을 갖는 '리튬망간산화물'의 표면에 탄소를 주입해 음극으로 사용함으로써 두 시스템의 에너지 준위를 맞출 수 있었다"고 설명했다.

조도변화에 따른 산화환원 중계물질별 연료감응 광충전 전지의 성능

연구팀은 저조도 환경에서 효과적으로 작동하는 '산화환원 중계물질'도 찾아냈다. 연료감응 태양전지는 염료가 빛을 받으면 전자를잃어버리는 산화 반응이 일어나고, 이 전자의 이동에 따라 전기를 생산하는 방식으로 구동된다. 이 과정에서 산화환원 중계물질은 염료가 잃어버린 전자를 보충하는 역할을 한다.

공동 1저자인 김병만 UNIST 자연과학부 연구조교수는 "염료에 도달하는 빛 입자수가 적은 저조도 환경에서는 산화환원 중계물질이 얼마나 빨리 움직이느냐(동역학적 특성)보다는 방전 전압(열역학적 특성)이 얼마나 높은지가 더 중요했다"며 "광충전 소자 설계시 조도에 따른 '산화환원 중계물질' 선택기준을 제시했다"고 전했다.

권태혁 교수(왼쪽부터), 김병만 연구원, 이명희 연구원, 송현곤 교수

연구팀은 광충전 전지 6개를 직렬로 연결해 실내조명(LED)으로 10분 충전한 후 상용 IoT 센서를 작동하는 데도 성공했다.

송현곤 교수는 "새로 개발한 염료감응 광충전 전지는 실내조명 아래서 11.5%라는 높은 에너지변환·저장효율을 달성했으며, 이는 저조도 환경에서 세계 최고"라고 밝혔다. 권태혁 교수는 "실내조명은 전체 에너지 소비의 10%에 육박할 정도라, 에너지 재활용 효과는 막대할 것"이라고 설명했다.

이번 연구 결과는 학술지인 '에너지 및 환경과학'에 표지 논문으로 실렸다.

황준호 기자 rephwang@asiae.co.kr