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서동우 (UNIST 기계공학과)
2022-06-20
화석 연료 기반의 에너지 사용으로 인해 발생하는 환경 문제와 화석 연료의 유한한 양으로 인해, 지속 가능한 청정에너지의 확보 및 사용 필요성 증가는 이에 대한 사회적, 학문적 관심을 가져왔다. 특히, 학문적인 측면에서는 해당 관련 분야에 대한 시스템 효율 증가 및 새로운 시스템 개발과 같은 방식을 통해 다양한 연구가 진행되고 있으며, 이에 대한 지속적인 결과 역시 보고되고 있다. 다양한 청정에너지 가운데, Blue energy라고 불리는, 염수와 담수 간의 염 농도 차이를 통해 확보할 수 있는 에너지는 여타 청정에너지와 달리 과거 큰 주목을 끌지 못했다. 하지만 이론적으로 염수-담수 간 농도 차이를 통해 확보할 수 있는 에너지는 1 m3 당 약 0.8kW로 예상되며, 해수로 흐르는 담수를 통해 전 지구적으로는 약 980 GW의 전력을 수집할 수 있다. 이 중 800 GW 정도의 전력은 현재 수력 발전을 통해 얻어지고 있지만, 이를 고려하여도 농도 구배를 기반으로 하여 수집할 수 있는 에너지의 양은 상당히 크며, 아직 많은 가능성을 가지고 있는 분야라고 할 수 있다.1  이러한 잠재력과 더불어, 농도 구배 기반 에너지 수집 장치는 기존 풍력, 태양열/태양광, 조력 등의 일간 차이에 따라 발전량이 크게 변화하는 기존의 대체 에너지원과는 달리 환경 및 시간에 따른 변동량이 적다는 장점이 있다. 이에 따라 최근에는 농도 구배 기반 에너지 수집 장치에 대한 연구 및 개발과 함께 전력 생산 및 에너지 저장에 있어서 해당 장치를 통한 실질적인 적용 역시 진행되고 있다. 농도 구배 기반 에너지 수집 장치의 메커니즘으로는 PRO (Pressure-retarded osmosis, 압력 지연 삼투)와 RED (Reverse electrodialysis, 역 전기 투석)를 들 수 있다. PRO는 이온의 이동이 아닌 유체의 흐름을 활용하는 방법으로, 해당 메커니즘에서는 시스템 내 반투과성 분리막을 중심으로 상대적으로 저농도의 용액과 고농도의 용액을 사용하여 전력을 생산한다.  반면 RED는 이온 선택적 분리막을 사용하여 전해질 용액 내에 존재하는 이온의 선택적인 이동을 이용한다. RED 기반 에너지 수집 장치는 양이온 교환 분리막과 음이온 교환 분리막을 교차적으로 설치한 시스템에 염수와 담수를 주입하여 농도 구배를 형성하는데, 양이온 혹은 음이온에 대한 선택적인 투과성을 가지는 분리막의 존재로 인하여 염수에 존재하는 이온들은 선택적으로 막을 통과하게 된다. 이로 인한 이온의 불균형으로 염수와 양 분리막을 중심으로는 담수 간에 전위차가 발생하게 되고, 결과적으로 장치는 형성된 전위차 및 이로 인해 발생하는 전자의 흐름을 통해 산화-환원 반응 등의 전기화학적 반응을 기반으로 전력을 직접적으로 발생시킨다.1 PRO 및 RED 기반 에너지 수집 장치는 사용되는 용액에 따라서 Open-loop 방식과 Closed-loop 방식으로 나눌 수 있다. 먼저 바닷물과 강물 등의 자연적인 염수와 담수를 사용하여 장치를 운용하는 형식의 시스템을 Open-loop 방식이라고 할 수 있는데, 이러한 방식은 용액의 전처리 및 이에 따른 추가적인 분리막 처리가 필요하다는 점과 사용 용액의 방류에 따른 환경적인 문제 가능성 등의 단점이 존재한다. 반면, Closed-loop 방식은 암모니아-이산화탄소 혼합 용액과 같이 열을 가함으로써 저농도와 고농도의 흐름으로 나눌 수 있는 용액을 사용하여 장치를 운용하는 형식을 말하며, 이와 같은 방식은 폐열의 재활용 및 용액의 재활용이라는 관점에서 Open-loop 방식 대비 장점을 가지며, 일반적인 염수-담수 대비 높은 효율을 가질 수 있다는 장점 역시 확보할 수 있다. 터빈 등의 장치를 통해 기계적으로 전력을 발생시키는 PRO와 달리, RED 기반 에너지 수집 장치는 염의 농도가 다른 두 용액의 혼합을 통해 진행된다. 혼합에 따른 에너지는 혼합 Gibbs 자유 에너지 및 혼합 엔트로피를 통해 다음과 같이 표현할 수 있다.  여기서 Gb, Gc, Gd는 각각 혼합 후 자유 에너지, 고농도 용액 및 저농도 용액의 자유 에너지를 가리키며, Sb, Sc, Sd는 각각 그에 대응하는 혼합 몰 엔트로피를, n은 몰 농도, T는 온도를 나타낸다.2,3 PRO와 RED는 용액 간 농도 차를 기반으로 한 에너지 수집 메커니즘 중 많은 연구 사례 및 적용이 진행되고 있지만, RED는 PRO 대비 분리막 오염 정도, 운전 비용 등에 있어서 장점을 가지는 동시에, 에너지 수집 효율에 있어서 일반적으로 더 높은 효율을 보여준다. 또한, 시스템의 특성상 RED는 PRO 대비 외부 장치와의 연결이 용이하여 장치의 통합에 있어서 높은 적용 가능성을 가질 수 있다는 점 역시 장점으로 볼 수 있다.4,5 한 편, 앞서 언급한 에너지 및 환경 문제와 더불어, 최근 기계 장치 및 관련 시스템의 소형화, 집적화가 이루어짐에 따라 해당 시스템에 적용 가능한 소형/초소형 에너지 수집 장치의 개발 및 응용이 대두되고 있는데, RED 기반 시스템은 외부 장치와의 통합 및 시스템 소형화에 용이하다는 장점을 통해 나노유체학 및 나노 구조를 적용한 소형 에너지 수집 장치로의 적용 연구가 진행되고 있다. 특히, 생적합성 (Biocompatibility)을 가지는 전해질 용액의 사용 역시 가능함에 따라, RED 및 나노유체 기반 소형/초소형 에너지 수집 장치는 여러 생체 모방 시스템 및 체내 적용 장치로의 높은 적용 가능성 역시 보여주고 있다.  기존 에너지 수집 장치와는 달리 나노 채널 기반 소형 RED 시스템에는 가용할 수 있는 유체의 양 및 공간적인 제약이 존재하기 때문에, 해당 시스템의 개발에는 이온에 대한 높은 선택적 투과성 및 높은 이온 정류 (Ion rectification) 특성을 가지는 고효율 분리막의 적용이 전체 효율에 큰 영향을 미치며, 나노 채널 내에서의 이온 정류 특성의 효율을 개선, 증가시키기 위해서는 분리막에 대한 소재적, 구조적인 설계와 함께 전기 삼투, 확산 삼투 (Diffusioosmosis) 현상과 같은 나노 채널 내 주요 이온 전달 현상 및 특성에 관한 연구 역시 복합적으로 요구된다. 이는 일반적인 채널 및 마이크로 채널과 달리, 나노 채널에서의 물질 혹은 이온 전달 현상의 경향성은 채널의 구조적, 전기적 특성에 큰 영향을 받기 때문이다.  또한, 분리막 내 나노 채널에 대한 효율적인 운전을 위해서는 분리막을 비롯한 RED 시스템에 대한 전반적인 조건이 고려되어야 한다. 해당 사항으로는 분리막의 경우, 분리막의 두께 및 길이, 공극의 지름과 구조, 공극 밀도 및 표면 전하 등이, RED 시스템에 대해서는 사용되는 전해질의 종류 및 용액의 pH, 시스템의 온도 및 형성된 농도 구배의 크기 등이 존재한다. 이외에도 전극의 표면적 및 전극의 종류, 전극과 분리막과의 거리 등이 효율적인 RED 시스템의 설계를 위해서는 추가적으로 고려되어야 한다. 나노 채널에서의 이온 선택도는 채널 특성과 더불어 구조적인 특성이 큰 영향을 미치는데, 나노 채널의 크기가 작아질수록 채널의 전기적 특성이 강화되어 결과적으로 채널 내 EDL의 겹침 현상이 발생, 이로 인한 채널 내 전지적 반발력의 발생으로 이온의 선택적인 전달이 일어나기 때문이다. 한 편, 나노 공극 및 나노 채널의 경우 그 구조적인 특성으로 인하여 상대적으로 낮은 투과율을 가지는데, 낮은 투과율은 결과적으로 시스템의 낮은 전류 밀도로 이어진다. 이와 같은 나노 채널 및 나노 공극 기반 분리막에서의 이온 선택도/이온 정류 특성과 투과율의 반 비례적인 관계에 있어서, 높은 이온 선택도를 가지는 동시에 준수한 투과율을 가지는 분리막의 개발과 적용이 나노 구조 기반 RED 시스템의 성공적인 개발 및 적용에 필수적인 요소라고 할 수 있다.  이러한 특성의 구조를 기반으로 하는 전력 발생 시스템은 자연에서도 찾아볼 수 있으며, 전기 뱀장어의 전기 발생 기관을 그 대표적인 예로 들 수 있다. 전기 뱀장어가 가지는 전기 생산 세포 (Electrocyte)는 높은 이온 선택도를 가지는 이온 채널들이 배열된 수천 개의 분리막이 높은 밀도로 배열된 구조로, 활성 상태에서 분리막을 기준으로 발생하는 선택적 이온 전달을 기반으로 전위차를 형성, 단일 세포를 기준으로 약 150 mV의 전위차를 형성할 수 있다.8 이러한 특성은 Blue energy에 대한 수집 장치로서 지속적으로 주목을 받아왔으며, RED 시스템에 대한 상기 언급한 문제를 해결하기 위해 일부 사례들은 전기 생산 세포로 대표되는 자연 시스템을 모방한 RED 기반 전력 발생 장치를 설계, 제작하였다.  해당 연구는 분리막의 형성을 위해서는 그에 해당하는 나노 입자 분산액을 주입하게 되는데, 분리막 형성 부분과 용액 주입 부분이 되는 주 채널 간의 높이차 및 큰 확장 각도로 인하여 발생하는 음압으로 인해 용액은 분리막 형성부와 주 채널 사이의 계면에서 멈추게 된다. 이로 인해 분리막 형성 부분까지 용액이 침범하지 않게 되어, 증발력을 통한 나노 입자의 균일한 배열이 일어나게 된다.   이는 음전하를 띠는 PDMS 채널과 음이온 선택성 분리막의 제조에 사용되는, 양전하를 띠는 아민 작용기의 나노 입자 사이에서 아민 작용기와 실라놀 (-SiOH) 작용기 간의 Back-bonding에 기인하며, 이로 인해 나노 입자는 표면으로부터 분리되기 위한 충분한 구동력을 가지지 못하기 때문이다. 이와 같은 상대적으로 낮은 균일성은 결과적으로 음이온 선택성 분리막이 양이온 선택성 분리막에 비해 낮은 이온 선택도를 가지게 되는 원인으로 작용한다.  이때 각 분리막 간의 저항이 같을 경우, 적층 수가 증가함에 따라 전극과 접촉하는 용액의 저항과 분리막의 저항이 감소하게 되는데, 이로 인해 (a)에서와 같이 적층 수가 증가할수록 발생 전류 역시 증가하는 경향을 보이는 것을 확인할 수 있다. 고농도 용액 조건의 경우, 용액의 농도와 EDL 간의 반비례 관계로 인하여 양 분리막에서의 이온 선택도가 감소하여, 이로 인해 (b) 및 (c)에서 볼 수 있듯이 저농도 대비 발생 전압의 감소와 발생 전력의 감소가 나타나게 된다.  한 편, 바닷물 등 자연에 존재하는 염수의 농도는 최소 0.5 M로, 일반적인 분리막이 이온 선택성을 가지기에는 높은 농도이다. 앞서 언급한 것처럼 분리막의 이온 선택도/이온 정류 특성은 사용하는 용액의 농도가 낮을수록 증가하지만, 고효율의 RED 기반 에너지 수집 장치를 확보하기 위해서는 높은 농도 조건에서도 분리막은 높은 이온 선택성/이온 정류 특성을 가질 필요가 있다. 또한, 발생 전류는 형성된 농도 구배에 영향을 받으므로, 일정 수준의 발생 전류를 확보하기 위해서는 고농도 조건의 용액을 시스템에 적용해야 한다. 기존의 분리막을 통해 위와 같은 문제를 해결하기 위해서는 분리막 내 나노 공극의 크기가 더욱 작아져야 하는데, 이 경우 분리막의 투과율이 감소하여 결과적으로 낮은 전류 밀도의 문제로 이어지게 된다.  해당 연구는 이러한 점을 해결하기 위해, 일정 수준의 공극률을 가지는 양이온/음이온 선택성의 양면 구조 분리막을 제작하였다. 본 장치에서는 형성된 농도 구배로 인해 발생하는 이온 전달에서 특정 전하의 이온이 분리막을 투과하는 동시에 반대의 전하를 가지는 이온의 전달이 충분한 표면 전하를 가지는 양면 구조의 분리막에 의해서 차단되는 것으로 전류는 형성된다. 동시에, 분리막의 양면 구조로 인한 다이오드와 같은 특성에 의해서, 발생한 전류는 다시 분리막을 향해 흐르지 못하게 된다.   외부 장치와 연결된 시스템의 경우, 시스템 내부의 저항과 외부 장치의 저항이 같을 때 최대 전력을 확보할 수 있다. 이는 다시 말하면 대부분의 전력 손실이 분리막으로 인한 저항으로 인해 발생한다는 것을 의미한다. 분리막의 저항을 줄이기 위해서는 분리막의 두께가 얇음과 동시에 일정 수준의 공극률 및 공극 크기를 가져야 한다. 본 연구에서 제작한 분리막의 경우, 두께, 공극률 및 공극 크기는 각각 약 11μm, 14 – 22%, 9 – 17nm이다.  이러한 연구 사례들을 통해 볼 수 있듯이, 농도 구배 기반 에너지 수집 장치는 지속 가능한 에너지원으로서 여러 가능성을 가지고 있다. 소형/초소형 장치와의 통합과 더불어 대규모 발전 시스템으로의 확장을 위해서는 분리막에 대한 오염 문제 해결 및 기계적 안정성 확보, 발생 전력량 향상을 위한 최적화 등의 연구가 앞으로도 진행되어야 하지만, |
- PRO (Pressure-retarded osmosis)
- RED (Reverse electrodialysis)
- 염수-담수 대비 높은 효율
- 소형 RED 시스템
- 분리막 내 나노 채널
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