기계연, 해수 기반 자가충전 에너지 하베스터 개발

바닷물에 포함된 나트륨 이온의 이동을 통해 전기 에너지를 지속적으로 생성하는 '에너지 하베스터'가 개발됐다. 이 기술은 물 기반 에너지 생산과 친환경 에너지 기술 개발 분야에서 활용될 가능성이 크다.

과학기술정보통신부 산하 한국기계연구원 나노융합연구본부의 현승민 책임연구원과 소혜미 선임연구원, 경북대학교 응용화학공학부 정수환 교수팀은 해수의 이온 이동을 활용해 전기 에너지를 생산할 수 있는 친환경 자가충전 에너지 하베스터를 개발했다고 밝혔다.

이번에 개발된 에너지 하베스터는 산소 기능기 함량이 다른 다중벽 탄소나노튜브와 산화 그래핀 필름을 각각 양극과 음극으로 사용하고, 바닷물을 전해질로 활용한다. 전해질 내 양이온들이 산소 기능기가 많은 음극 쪽에 집중되면서, 두 전극 사이의 이온 재배열에 의해 전기 에너지가 발생하는 원리다.

기존의 물 기반 에너지 하베스터는 전환 효율이 낮고, 지속적인 재사용을 위해서는 물의 움직임을 발생시켜야 하는 한계가 있었다. 이러한 단점 때문에 외부 에너지 투입이 불가능한 환경에서는 사용이 제한됐다.

연구팀은 외부 에너지를 투입하지 않고도 방전 후 초기 전압을 회복해 지속적으로 사용할 수 있는 기술을 구현했다. 이 기술은 바다와 같은 외부 에너지 공급이 어려운 환경에서 센서나 기기의 에너지원으로 활용될 수 있다.

개발된 에너지 하베스터는 24.6 mW/cm³의 전력 밀도를 가지고 있으며, 이는 기존의 이온 하이드로겔 기반 에너지 하베스터(5.9 mW/cm³)보다 약 4.2배 높은 수치다. 이 정도 전력은 계산기, 시계, 센서와 같은 소형 기기에 충분한 전력을 공급할 수 있다. 또한, 여러 장치를 연결하거나 면적을 확장해 더 많은 전기 에너지를 생성할 수도 있다.

현승민 책임연구원은 “이번 기술은 외부 에너지를 투입하지 않고도 지속적으로 충전할 수 있는 친환경 에너지 하베스터로, 바다에서 환경 모니터링이 필요한 센서와 장치 등에 유용하게 활용될 것”이라고 말했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 국가연구개발사업 '친환경 분해가능 배터리 개발 및 특성 평가'와 기계연의 '나노기반 옴니텍스(Omni-TEX) 제조 기술 개발' 과제의 지원을 받아 수행됐으며, 연구 결과는 '케미칼 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal)'에 게재됐다.