실내 조명으로 충전되는 배터리 개발

실내조명으로 충전된 전지를 이용해 iot 센서를 작동시키고 온도를 감지하는 모습.(자료제공: UNIST)

울산과학기술원(UNIST·총장 이용훈)은 송현곤·권태혁 교수팀이 어두운 조명에도 반응해 전기를 생산하고, 저장까지 가능한 ´염료감음 광(光) 충전 전지´를 개발했다고 지난달 21일 밝혔다.
연구팀은 빛을 이용해 전기를 생산하는 염료감응 태양전지와 리튬 이차전지(배터리)를 결합했다. 염료감응 태양전지는 유기 염료와 나노 기술을 이용해 고도의 에너지 효율을 갖도록 개발된 전지다. 태양전지를 비롯한 광전지는 빛에 반응하는 물질을 이용해 전기를 생산한다. 다양한 광전지 중 염료감응 태양전지는 아주 작은 빛에도 반응하는 특성이 있어 실내 조명과 같은 낮은 밝기에서도 전기 생산이 가능하다. 하지만 밝기 변화에 민감해 안정적으로 전력을 공급하기 어려운 한계를 지닌다. 특히 이를 보완하기 위해 전기저장장치로 축전기를 쓰는데, 전기저장 용량이 적어 상용화하기는 어려웠다.
연구팀은 축전기 대신 이차전지를 사용해 더 많은 전기 에너지를 저장하는 방법을 찾아냈다. 기존 이차전지 양극과 광전지 전극은 에너지 준위 차이로 합치기 어려운 특성을 해결했다. 광전지와 이차전지를 융합하려면 광전극에서 생성된 전자가 이차전지 양극까지 안정적으로 이동해야 한다. 연구팀은 리튬망간산화물 표면에 탄소를 주입해 음극으로 사용하면 두 시스템의 에너지 준위를 맞췄다. 또 연구팀은 저조도 환경에서 효과적으로 작동하는 ‘산화환원 중계물질’을 찾아내 광전변환효율을 높였다.
권태혁 교수는 "실내 조명은 전체 에너지 소비의 10%에 육박할 정도라 ´에너지 재활용´ 효과는 막대할 것"이라며 "태양광뿐만 아니라 다양한 광원을 활용할 수 있는 광전지 연구의 방향성을 제시한 연구"라고 강조했다.
송현곤 교수는 "새로 개발한 염료감응 광충전 전지는 실내 조명 아래에서 11.5%라는 세계 최고 수준의 높은 에너지변환·저장효율을 달성했다"면서 "광충전 전지 6개를 직렬로 연결해 실내조명(LED)으로 10분 충전한 후 상용 IoT 센서 작동에도 성공해 상용화 가능성이 높다"고 말했다.
이번 연구결과는 에너지 분야의 국제학술지인 ´에너지 및 환경과학´(Energy & Environmental Science·EES) 표지 논문으로 게재됐다.