최근 전 세계는 온실가스 감축을 위해 탈(脫)탄소 산업을 가속화하면서 세계 경제가 재편되고 있다. 석유, 석탄과 같은 화석연료는 서서히 투자 가치가 떨어지고 친환경적인 연료가 새로운 시대의 에너지로 떠오르고 있는 것이다.

황인상 기자 his@

오늘날 기후변화의 위기는 더욱 빨라지고 있으며 삶의 위협 또한 더 커지고 있다. 이제 탄소중립은 미래의 문제가 아니라 오늘날 인류의 생존과 직결되는 시급한 과제가 되었다. 이러한 상황에서 윤태광 명지대학교 신소재공학과 교수팀은 최근 전기화학을 기반으로 한 미래 에너지 기술 개발에 가시적인 성과를 거두며 화제를 모으고 있다.

식물의 증산작용서 착안한 ‘TEPG’ 개발에 성공
그간 외부 전력 없이 환경친화적으로 전기에너지를 스스로 생산하고 저장할 수 있는 미래 에너지 플랫폼 개발에 매달려 온 윤태광 교수는 현재 고성능/고효율의 에너지 저장 기술과 독창적인 신재생에너지 기술 개발을 위한 연구를 병행하고 있는 중이다. 에너지 저장 분야의 경우 인체에 무해한 식물의 표피와 동물의 피부 성분을 활용해 4차 산업혁명의 중추 기술은 IoT/웨어러블용 독창적인 에너지 저장 기술들을 성공적으로 구현, 세계적인 저널들에 보고한 바 있다. 신재생에너지분야의 경우 식물의 증산작용에서 착안해 수분의 순환을 인위적으로 유발함으로써 전기에너지를 생산하는 기술을 모델링했다.

▲ 윤태광 교수

윤태광 명지대학교 신소재공학과 교수는 “본 기술을 응용해 버려지는 수자원인 해수, 폐수, 대기 중의 수분, 인체 내의 수용액을 활용해 전기에너지를 생산하는 미래지향적인 신재생에너지 기술을 모델링 및 구현하고 있다”고 설명했다. 식물의 증산작용은 수분을 흡수하는 뿌리, 모세관 현상을 통해 흡수한 수분을 빠르게 이동시키는 줄기와 넓은 면적의 잎에서 증발하는 과정으로 구성되어 있으며, 증산작용을 통해 수분을 효과적으로 순환시킨다. 윤 교수는 수분을 효율적으로 순환시킬 수 있는 증산작용을 그대로 모사하면, 수분의 순환을 전기에너지로 변환시킬 수 있을 것으로 판단했다. 이에 주변에서 쉽게 구할 수 있는 숯(활성 탄소)을 활용해 수분을 흡수하는 뿌리의 역할을 대체하고, 면섬유를 활용해 모세관 현상을 통해 수분을 넓은 면적으로 빠르게 이동시키는 줄기/잎의 역할을 대체하는 기술을 개발, 세계 최초로 ‘증산작용 기반 에너지 구동 장치, TEPG’라 명명했다.

특히 윤 교수는 이 기술을 통해 한 방울의 물로도, 물이 증발하기 전까지 전기에너지를 1시간 이상 생산이 가능하고, 물 내부에 다양한 이온 및 불순물이 포함되어 있으면 생산되는 전기에너지 양이 증가한다는 것을 발견했다. 이는 생활 속에 존재하는 다양한 수자원을 활용해서, 환경적으로 전기에너지 생산량을 극대화 가능함을 의미한다. 이에 윤태광 교수는 산업 폐수를 정화하는 담수 기능과 동시에 전기에너지를 스스로 생산하고 활용할 수 있는 물 재활용 분야에 새로운 패러다임을 제시할 것으로 기대하고 있다. 그는 “TEPG는 대지 및 해양 건축물용 보조 전력 시스템으로 응용할 수 있을 것”이라며 “특히, 수자원이 풍부하고 하/폐수 처리 문제가 있는 환경에 적극적으로 응용하여, 고효율/저비용의 전력 공급을 통한 삶의 질 확보 및 거대 시장을 확보할 수 있는 선점 기술이 될 것”이라고 강조했다.

해수를 정수하며 전기에너지 생산하는 멤브레인 개발 연구 수행
신재생에너지 및 미래 에너지 기술은 화석연료 고갈 및 환경오염 문제를 해결할 수 있는 유일한 방안이므로, 국가적으로 반드시 선점해야 하는 필수 미래 기술이다. 현재 기술력에서는 가성비 및 효율성이 화석연료에 미치지 못하는 실정이지만, 인류의 삶의 질 향상에 꼭 필요한 미래 먹거리 산업이다. 윤태광 교수의 행보가 주목을 받는 이유이기도 하다. 이미 윤 교수는 에너지 저장 분야에서 주변에서 쉽게 구할 수 있는 섬유를 활용해, 인체에 착용 가능한 독창적인 웨어러블 에너지 저장 기술을 세계적인 저널에 다수 보고한 바 있다. 특히, 한지를 활용한 종이 기반의 에너지 저장 원천기술은 탑저널에 결과를 게재하며 독창성을 주목받기도 했다.

닥나무 기반의 전통 한지는 기계적으로 강한 변형을 가해도 견뎌내며, 강한 산성 용액에 노출되는 등 오랜 시간 다양한 환경에 노출되어도 특성을 잃지 않는 우수한 수명 특성을 유지하고 있다. 이에 윤태광 교수는 닥나무 기반의 전통 한지를 활용해 강한 변형도 견뎌낼 수 있는 인체에 착용 가능한 에너지 저장 기술들을 개발한 것. 그는 여기에 만족하지 않고 4차 산업 혁명의 중추 기술인 IoT 전자기기에 웨어러블 에너지 저장 기술을 활용하기 위해 에너지 저장 기능뿐만 아니라 다양한 기능을 갖는 에너지 저장 기술이 필요하다고 판단하고, 충전 및 방전과정을 눈으로 확인 가능한, 투명 종이 기반의 인체 부착형 에너지 저장 기술도 구현했다. 충전과정에서는 소자의 색이 변하며, 방전과정에서는 투명한 본래의 상태로 변화하는 기술을 개발했다. 이러한 성과는 세계적인 탑저널들에 게재되며 독창성 및 우수성을 인정받았다. 현재 윤태광 교수는 투명한 종이 기반의 인체 부착형 에너지 저장 기술에 이어 공기 중의 물을 전기로 생산하는 기술도 개발 중이다. 이를 위해 한국생산기술연구원과 연구 협력을 통해, 학술적/산업적 가치 창출과 외연 확장을 진행할 예정이다.

윤 교수는 “해수를 정수하며 동시에 전기에너지를 생산하는 멤브레인 개발을 수행할 계획이다. 대면적화 가능한 해수 정화 멤브레인 제조 기술과 선택적 양이온 흡착 기술의 융합을 통해, 대규모의 해수를 담수하고 전기에너지를 생산하는 대용량 신재생에너지 기술로 확장할 것”이라며 “에너지 저장 분야에서는, 고효율 에너지 저장과 동시에 충전/방전과정을 시각화하는, 차세대 웨어러블 아연 수계전지를 구현해나가고자 한다”고 청사진을 밝혔다. 이어 “보유하고 있는 독창적인 원천기술들을 응용해, 미래 에너지 분야를 선도하는 원천기술을 확보하는 연구들을 수행할 것”이라며 “개발한 원천기술들을 고부가가치 산업에 적용할 수 있는 학술/산업적으로 모두 가치 있는 성과를 도출해내겠다”고 각오를 다졌다. NM