^* 축전기: 커패시터(capacitor) 또는 콘덴서(condenser)라 불리며, 전기회로에서 전기 용량을 전기적 퍼텐셜 에너지로 저장하는 장치다.

^*에너지 준위(energy level): 원자와 분자가 갖는 전자의 위치 에너지 값이다.

^*양쪽 반응성(amphi-redox): 리튬 이온(혹은 전자)을 받는 반응(환원, reduction)과 주는 반응(산화, oxidation)이 모두 가능한 물질. 위와 같은 성질로 인해 전지의 음극재 또는 양극재 모두 사용 가능하다

[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

빌딩 내 에너지 소비는 전체의 40%에 이르며, 최근 이를 절감하기 위해서 ‘빌딩 에너지 관리 시스템’의 도입이 일반화되고 있다. 그에 따라 가까운 미래에 초다수의 전자기기들이 네트워크를 통해 연결되는 ‘초대규모 사물인터넷(massive IoT) 시대’1)가 열릴 것이다. 이때 배터리 수명은 IoT의 광범위한 확산을 저해하는 주요인 중 하나이다. 효율적인 전력공급은 IoT 기기의 성능과 직결되므로 최근 IoT 소자 연구 동향은 저전력 고성능 소자 개발 및 에너지 수집 기술에 초점을 두고 있다. 특히 친환경적이고 접근성이 좋은 실내조명 에너지를 활용 가능한 광전변환 소자는 IoT 기기의 전력공급을 위한 대표적인 에너지 수집 기술 중 하나로 주목된다.

하지만 주위 환경에 민감한 광전변환 소자는 안정적으로 전력을 공급하기 어려우며 잉여전력을 보존할 수 없다. 이러한 이유로 광전변환 소자와 에너지 저장 소자를 결합한 ‘광충전 융합소자’에 대한 연구가 활발해지고 있다. 최근 실내 저조도 발전에 적합한 광전변환 소자로써 유기물 기반 태양전지들이 주목받고 있으며, 그중 염료감응 태양전지2)가 가장 안정적으로 고효율을 보여주는 것으로 보고되고 있다. 하지만 지금까지 개발된 염료감응 태양전지 기반 광충전 융합소자는 대부분 축전기3) 저장방식을 수용하고 있으며, 저전력 전원에 더욱 적합한 리튬 이차전지와의 결합 사례는 드문 실정이다. 그 이유는 염료감응 태양전지의 광전극과 에너지준위4) 호환성을 가지는 이차전지 양극 물질을 찾기가 힘들기 때문이다.

따라서 본 연구진은 에너지 저장 물질로써 리튬 이차전지5)의 대표적인 양극재 중 양쪽 반응성을 갖는 리튬망간산화물(LiMn₂O₄)을 표면탄소화 처리해 염료감응 태양전지의 광전극과 에너지 준위 호환성을 가지도록 함으로써, 실내 발전에 적합한 일체형 광충전 이차전지를 개발하고자 했다. 더불어 상기 시스템 내 산화환원 중계물질6)에 따른 융합소자의 작동특성을 밝히고 저조도 환경에 적합한 소자의 디자인 기준을 제시하고자 했다.

2. 연구내용 

본 연구에서는 염료감응 태양전지와 리튬 이차전지의 양극재인 리튬망간산화물 (LiMn₂O₄)을 결합해 실내발전에 적합한 광충전 이차전지를 개발하고 IoT 기기를 작동해 실용성을 입증했다.

먼저 볼 밀링(ball milling)법을 활용한 표면탄소화 처리를 통해 광전극과 에너지준위 호환조건(TiO₂의 페르미준위7) > x > 산화환원 중계물질의 환원준위8))을 만족하는 양극재인 리튬망간산화물 (LiMn₂O₄)을 합성하고 이를 저장전극 물질(이차전지 음극재)로써 사용했다. 또한 전자를 만들어내는 광전극 물질로는 상용 유기염료(Y123+DN-F10)가 이중 흡착된 산화티타늄(TiO₂)을 사용했다. 한편 리튬 이온 선택적 멤브레인에 방전전극으로써 줄무늬 패턴 백금층을 형성함으로써 안정적인 삼전극 시스템을 구축할 수 있었다.

상기 융합소자의 광충전 과정에서 산화된 염료분자의 전하재생을 위한 산화환원 중계물질로써 염료감응 태양전지에 가장 널리 사용돼 온 ‘요오드 화합물(I−/I₃−)’, ‘코발트 비피리딘 화합물(Co2+/3+(bpy)3)’, ‘구리 디메틸페난트롤라인 화합물(Cu+/2+(dmp)2)’을 사용했다. 각각의 전기화학적 특성을 조사한 결과, Cu+/2+(dmp)2이 가장 높은 방전전압을 가지는 동시에 가장 느린 동역학 특성을 보여주고, I−/I3−은 가장 낮은 방전전압을 가지는 동시에 가장 빠른 동역학 특성을 나타냈다. 이러한 특성은 소자의 광충전 성능에도 큰 영향을 미쳤다. 표준태양세기(100㎽/㎠)에서는 가장 빠른 동역학 특성의 I−/I3−이 가장 낮은 방전전압에도 불구하고 가장 높은 저장용량 및 에너지밀도를 보여줬다. 하지만 빛의 세기가 표준태양세기의 1000분 1 정도인 실내조명(0.15㎽/㎠)을 사용한 경우, 산화환원 중계물질 간 광충전량 차이가 극히 줄어들어 가장 높은 방전전압을 가지는 Cu+/2+(dmp)2이 가장 높은 에너지밀도를 보여줌을 확인할 수 있었다.

이러한 결과는 조도 세기에 따라 광전변환·저장 효율9)에 결정적인 요인이 다르므로 그에 맞는 물질을 선택해야 함을 함축한다. 최종적으로 Cu+/2+(dmp)2 기반 광충전 이차전지 6개를 직렬로 연결해 실내조명(LED)으로 10분 광충전 후 상용 IoT 기기(센서,작동조건: > 3.5 V)와 멜로디 키트를 작동하는 데 성공, 상용화 가능성을 입증했다.

3. 기대효과  

이번 연구결과의 핵심은 크게 (i) 최초로 저조도 광충전을 통한 고효율 달성(11.5%) 및 실용성 입증(IoT 기기 작동), (ii) 조도 세기에 따른 광충전 이차전지의 디자인 기준 제시다. 또 그동안 실외적용에 치중되어 있던 광충전 융합소자 연구동향에 새로운 방향을 제시한다고 할 수 있으며, 현재 침체된 염료감응 태양전지 연구에 기폭제 역할을 할 것으로 기대된다.

나아가 상기 기술의 성공적인 개발 및 상용화는 상당한 경제적 파급효과를 가져올 전망이다. 오디세이 뮤어(Odyssee-Mure) 프로젝트에 따르면(2016년 유럽 기준), 빌딩 내 연간 에너지 소비는 전체의 40%(210㎾·h/㎡)에 달하며 그중 약 20%(40 210㎾·h/㎡)는 조명에 사용되고 있다. 현재 실내조명에서 나오는 빛 에너지는 대부분 소실되는 폐광자원이지만 실내발전에 적합한 광충전 융합소자를 개발하면 십분 활용 가능할 것이다. 10% 이상의 에너지 저장·변환 효율을 가지는 소자를 상용화한다면 전체 에너지 소비의 1% 이상을 재활용할 수 있음을 의미하며 이것은 전 세계의 암모니아를 합성하기 위해 필요한 막대한 양이다.

[붙임] 용어설명

1. 사물인터넷(Internet of Thing, IoT)

각종 사물에 센서와 통신 기능을 내장해 인터넷에 연결하는 기술. 즉, 무선 통신을 통해 각종 사물을 연결하는 기술을 의미한다.

2. 염료감응 태양전지(Dye-sensitized solar cell)

염료가 흡착된 산화금속 반도체에 기반한 광전극, 전해질의 전하재생을 위한 상대전극 및 산화환원 전해질로 구성되며, 산화금속 반도체 입자 표면에 화학적으로 흡착된 염료분자가 빛 에너지를 받아 전자를 제공함으로써 전기를 생산하는 전지이다.

3. 축전기(Capacitor)

전기 회로에서 전기 용량을 전기적 퍼텐셜 에너지로 저장하는 장치이다. 전기 에너지를 전기화학적 에너지로 저장하는 ‘배터리’ 저장 방식보다 에너지밀도(단위부피대비 저장용량)이 낮다.

4. 에너지 준위(Energy level)

원자 및 분자가 갖는 전자의 위치 에너지 값이다. 보어의 원자 모형에서 전자가 에너지를 받아 위치를 바꾸면, 이 위치들이 에너지 준위이다.

5. 리튬 이차전지(Lithium ion battery)

이차전지의 일종으로서, 방전 과정에서 리튬 이온이 음극에서 양극으로 이동하는 전지이다. 충전 시에는 리튬 이온이 양극에서 음극으로 다시 이동해 제자리를 찾게 된다. 리튬 이차전지는 방전 후 재사용이 불가능한 일차전지인 리튬 전지와는 구분된다. 에너지밀도가 높고 기억 효과가 없으며, 사용하지 않을 때도 자가방전이 작아 시중의 휴대용 전자기기들에 많이 사용되고 있다.

6. 산화환원 중계물질(redox mediator)

염료감응 태양전지에서 빛 에너지에 의해 산회된 염료가 다시 환원되는 데에 필요한 전하를 제공하는 물질을 일컫는다. 요오드 기반 전해질(I−/I3−)이 일반적으로 활용되고 있으나, 이의 부식성 및 휘발성이 문제점으로 지적되며 대체물로써 코발트 화합물(Co2+/3+(bpy)3), 구리 화합물(Cu+/2+(dmp)2) 등이 개발됐다.

7. 페르미에너지 (Fermi level)

절대온도 0도에서 어떤 물질에 존재하는 전자들의 에너지준위 중 가장 높은 에너지준위에 해당하는 에너지이다. TiO2와 같은 반도체의 경우 전자가 차 있는 원자가띠와 비어 있는 전도띠 사이에 페르미에너지가 위치한다

8. 환원준위( reduction potential)

어떤 분자가 전자를 받아서 환원되려고 하는 경향성을 측정한 값이다. 환원전위는 전자를 받으려는 경향성이기 때문에 음의 값이면 전자를 주는 반응이 더 잘 일어나는 것을 나타내고, 양의 값이면 전자를 받으려는 반응이 더 잘 일어난다는 것이 나타낸다. 이번 연구에서는 전하저장물질의 에너지준위가 TiO2의 ‘페르미 준위’보다 낮고, 산화환원 중계물질의 ‘환원준위’보다 높아야만 ‘광전극’에서 ‘저장전극’으로 자발적으로 전자가 이동해 전하의 저장이 가능해진다. 

9. 에너지 변환·저장 효율(ηoverall)

외부로부터의 빛 에너지를 화학 에너지 형태로 저장 후 다시 전기 에너지로 변환되는 효율로 정의되며, 아래와 같이 정량적 수식으로 표현된다.

* ηoverall = EdCh / Pin Aactive τCh = QdCh VdCh / Pin Aactive τCh

(EDdCh: 방전에너지, QdCh: 방전량, VdCh: 방전전압, Pin: 빛 세기, Aactive: 광전극 유효면적, τCh: 충전시간)

[붙임] 그림설명

그림1. 연구 개념도(EES저널 표지): 실내조명으로부터 생산·저장된 에너지로 IoT 기기를 작동함으로써 사용자가 실시간으로 실내 환경 정보(온도, 습도)를 확인하는 모습을 보여줌.

그림2. 염료감응 광충전 이차전지(Dye-sensitized Photo-rechargeable Battery, DSPB)의 구조 및 작동원리. 빨간색은 전자의 생성 및 충전 과정을, 파란색은 방전 과정을 보여줌

그림3. 조도변화에 따른 산화환원 중계물질별 연료감응 광충전 전지의 성능

(a) 고조도 세기(25, 40, 65, 100㎽/㎠)에서 요오드이온(빨간색), 코발트화합물(검은색), 구리화합물(파란색)를 산화환원 중계물질로 사용한 경우 각각의 에너지밀도(왼쪽) 및 에너지 변환·저장 효율(오른쪽) 그래프

(b) 저조도 세기(0.06, 0.15, 0.32, 0.60 ㎽/㎠)에서 요오드이온(빨간색), 코발트화합물(검은색), 구리화합물(파란색)를 산화환원 중계물질로 사용한 경우 각각의 에너지밀도(왼쪽) 및 에너지 변환·저장 효율(오른쪽). 고조도에서와 달리 저조도에서는 구리화합물을 산화원환 중계물질로 사용한 경우 가장 높은 에너지밀도와 에너지 변환·저장 효율을 보였다.