아이들의 영웅 ‘번개맨’과 인기 드라마 ‘무빙’ 속 주인공은 전기를 자유자재로 쓸 수 있는 초능력을 갖고 있다. 그런데 사람의 몸에서 전기를 만드는 일이 어쩌면 초능력이 아닌 일상이 될지도 모른다. 최근 POSTECH(포항공과대학교) 연구팀은 사람의 체온으로 전기를 만드는 전지의 효율을 높여 학계의 주목을 받았다.

POSTECH 신소재공학과 · 친환경소재대학원 김용태 교수, 신소재공학과 정상문 박사 · 강승연 석사, 홍익대 신소재공학과 이동욱 교수 연구팀은 버려지는 열 에너지나 체온에서 전기를 생산하는 열-전기화학 전지의 효율을 높이는 데 성공했다. 이번 연구는 그 우수성을 인정받아 국제 학술지인 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)’ 표지(inside back cover)논문으로 게재될 예정이다.

가정이나 산업 현장에서 사용되지 못한 전기는 열 에너지로 사라진다. 이러한 폐열(waste heat)과 사람의 체온으로 전기를 만드는 ‘열에너지 하베스팅(Thermal energy harvesting)’ 기술은 에너지 고갈과 기후 위기 등에 대한 해결책으로 떠오르고 있다. 하지만, 전기화학적으로 열을 전기로 바꾸는 이 전지는 에너지 전환 효율이 낮고, 백금 등의 귀금속 촉매가 필요해 상용화에 어려움이 많다.

연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 철을 기반으로 한 촉매와 과염소산(ClO4-,) 음이온을 사용했다. 일반적으로 전지 내 전해질의 무질서도가 증가하면 전압이 높아지고, 전류의 양이 많아져 전지 효율이 향상된다. 연구팀은 과염소산으로 철 이온 쌍(Fe2+/Fe3+)이 포함된 전해질의 무질서도를 높여 전지의 효율을 향상시켰다.

그리고, 연구팀은 철과 질소, 탄소로 구성된 촉매(Fe-N-C)를 열-전기화학 전지에 적용했다. 이 촉매는 값비싼 백금 촉매 대신 수소차 연료 전지에서 널리 사용되고 있는데, 열-전기화학 전지에 사용된 것은 이번이 처음이다. 실험 결과, 전지는 기존 대비 2배 이상의 높은 에너지 전환 효율을 기록했다. 또, 연구팀은 전극 제작 단가를 3,000분의 1로 줄이는 데 성공했다.

김용태 교수는 “상대적으로 많이 연구되지 않았던 열-전기화학 전지의 촉매 연구를 통해 시스템의 효율성과 경제성을 모두 향상시켰다”며, “폐열로 에너지를 생산하는 에너지 하베스팅 분야에서 널리 활용되길 기대한다”는 말을 전했다.

한편, 이번 연구는 한국연구재단 미래소재디스커버리사업의 지원으로 진행됐다.