“바닷물로 자가 충전” 회수 어려운 해양 기기도 지속 활용

해양 환경에서 전기 에너지를 지속적으로 생산·공급할 수 있는 ‘에너지 하베스터’가 국내에서 개발됐다.

에너지 하베스터는 일상에서 사용되지 못해 버려지는 에너지원을 활용해 전기 에너지를 생산하는 장치를 말한다.

한국기계연구원은 나노융합연구본부 나노디스플레이연구실 현승민 책임연구원, 소혜미 선임연구원 연구팀과 경북대 응용화학공학부 정수환 교수팀으로 꾸려진 공동연구팀이 해수 내 이온 이동을 활용해 전기 에너지를 생산하는 방식의 ‘친환경 자가 충전 에너지 하베스터’를 개발했다고 11일 밝혔다.

현승민 책임연구원(오른쪽 첫 번째) 연구팀이 해수 기반 에너지 하베스터 성능 측정 실험을 하고 있다. 한국기계연구원 제공

공동연구팀이 개발한 에너지 하베스터는 산소 기능기 함량이 다른 다중벽 탄소나노튜브와 산화 그래핀 필름을 각각 양극과 음극으로 사용하고, 전해질로 바닷물을 활용한다.

이 과정에서 전해질 내 양이온은 상대적으로 산소 기능기 함량이 높은 음극 쪽에 많이 모여들게 되고, 두 전극 사이의 이온이 재배열되는 과정에서 전기 에너지를 얻을 수 있게 된다.

이러한 원리의 에너지 하베스터는 방전 이후에도 외부의 에너지 투입 없이 다시 초기의 개방 회로 전압을 회복, 지속적인 재사용이 가능한 장점을 갖는다.

바닷물을 이용한 자가 충전 방식으로, 해양 환경에서 기기를 회수하지 않고도 센서 등에 지속해 에너지 공급할 수 있게 된 셈이다.

특히 공동연구팀이 개발한 에너지 하베스터의 전력 밀도는 24.6mW/cm3로, 기존 물 기반 에너지 하베스터(전력 밀도 5.9mW/cm3)보다 전력밀도가 4.2배 향상됐다.

이는 계산기, 시계, 센서 등 소형기기에 전력을 공급하기에 충분한 수준이다.

여기에 더해 공동연구팀은 에너지 하베스터 면적을 확장하거나 여러 개를 연결하는 등으로 더 많은 전기 에너지를 생산하는 것이 가능하다는 점을 강조한다.

공동연구팀의 에너지 하베스터 관련 기술이 향후 물 기반 에너지 하베스팅과 친환경 에너지 기술개발 등 다양한 분야에서 원천기술로 활용될 수 있다는 여지도 남겼다.

현 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 센서와 장치 등에서 유용하게 사용될 것으로 기대한다”고 말했다.

한편 이번 연구는 과학기술정보통신부, 한국연구재단의 과기부-국가연구개발사업 ‘친환경 분해가능 배터리 개발 및 특성 평가’ 및 기계연 기본사업 ‘나노기반 옴니텍스(Omni-TEX) 제조 기술 개발’ 과제로 수행됐다. 연구 결과는 화학공학 분야 저널 '케미칼 엔지니어링 저널‘에 게재됐다.

대전=정일웅 기자 jiw3061@asiae.co.kr