실내조명으로 충전되는 이차전지…10분만 빛 쬐도 작동

연구 개념도(EES저널 표지):실내조명으로부터 생산·저장된 에너지로 IoT 기기를 작동함으로써 사용자가 실시간으로 실내 환경 정보(온도, 습도)를 확인하는 모습을 보여줌/사진=UNIST

국내 연구진이 실내조명으로도 무선충전 가능한 이차전지를 개발했다. 실내조명은 전체 에너지 소비의 10%에 육박한다. 도심에서 조명으로 낭비되는 빛을 전기로 바꿨다가 필요할 때 쓰는 에너지 재활용이 가능해질 전망이다.


울산과학기술원(UNIST) 송현곤, 권태혁 교수팀은 어두운 조명에도 반응해 전기를 생산하고 저장까지 가능한 ‘염료감응 광충전 전지’를 개발했다고 21일 밝혔다.

빛을 이용해 전기를 생산하는 ‘염료감응 태양전지’와 ‘리튬 이차전지’를 결합한 것이다. 연구팀은 새로운 전지로 사물인터넷 (IoT) 기기를 작동하는데도 성공, 상용화 가능성까지 입증했다.

태양전지를 비롯한 광전지는 빛에 반응하는 물질을 이용해 전기를 만든다. 다양한 광전지 중 염료감응 태양전지는 아주 작은 빛에도 반응하므로 낮은 밝기의 실내조명에서도 전기 생산이 가능하다.

하지만 밝기 변화에 민감해 안정적으로 전력을 공급하기는 어려웠다. 이를 보완하기 위해 전기저장장치가 필요한데 지금까지는 축전기가 쓰였다. 하지만 축전기는 전기저장 용량이 적어 상용화하기 어려웠다.


공동연구팀은 축전기 대신 이차전지를 사용, 더 많은 전기 에너지를 저장하는 방법을 찾아냈다.

기존의 이차전지 양극과 광전지 전극은 에너지 준위(원자와 분자가 갖는 전자의 위치 에너지 값) 차이가 있어 둘을 합치기는 어려운데 이를 해결한 것이다.

연구팀은 “광전지와 이차전지를 융합하려면 광전극에서 생성된 전자가 이차전지 양극까지 안정적으로 이동해야 한다”며 “리튬 이차전지의 양극으로 주로 사용되며 양쪽 반응성(산화·환원 모두 가능한 물질)을 갖는 리튬망간산화물의 표면에 탄소를 주입해 음극으로 사용함으로써 두 시스템의 에너지 준위를 맞출 수 있었다”고 설명했다.

또 연구팀은 저조도 환경에서 효과적으로 작동하는 산화·환원 중계물질을 찾아내 광전변환효율을 높였다. 염료감응 태양전지는 염료가 식물 엽록소처럼 태양광을 받아 에너지를 생산한다. 염료가 빛을 받으면 전자를 잃어버리는 산화 반응이 일어나고 이 전자가 이동하면서 전기가 만들어지는 것이다. 산화·환원 중계물질은 염료가 잃어버린 전자를 보충하는 역할을 하는 데, 저조도 환경에서 적합한 특성은 따로 있었다.

연구팀은 “염료에 도달하는 빛 입자수가 적은 저조도 환경에서는 산화·환원 중계물질이 얼마나 빨리 움직이느냐 보다는 방전 전압이 얼마나 높은지가 더 중요했다”며 “광충전 소자 설계 시 조도에 따른 산화 환원 중계물질 선택기준을 제시했다”고 전했다.

송 교수는 “새로 개발한 염료감응 광충전 전지는 실내조명 아래서 11.5%라는 높은 에너지변환·저장효율을 달성했으며, 이는 저조도 환경에서 세계 최고”라며 “ 광충전 전지 6개를 직렬로 연결해 실내조명(LED)으로 10분 충전한 후 상용 IoT 센서를 작동하는 데도 성공해 상용화 가능성도 높다”고 말했다.