삼성전자∙성균관대, ‘전력 회수가 가능한 전기화학적 수처리 기술’ 연구 논문 ‘줄’에 게재

삼성전자가 성균관대학교와 산학협력으로 진행한 ‘전력 회수가 가능한 전기화학적 수처리 기술’ 연구 논문이 에너지공학 분야의 세계적 학술지 ‘줄(Joule)’에 게재됐다.

이번 연구는 기존 전기화학적 수처리 기술의 높은 전력 소모와 비용 문제를 해결하며 수처리와 에너지 저장을 동시에 구현하는 새로운 패러다임을 제시했다. 특히 전극 재생 과정에서 발생한 전력을 외부 기기에 공급할 수 있어 에너지 효율성을 높였고, 다양한 산업 현장과 일상생활에서 폭넓게 활용될 가능성을 보여줬다.

※ 논문 제목: Divalent and Halide Dual Ion Storage of A Redox-Active Symmetric Cell for Efficient Wastewater-Energy Nexus

※ 논문 링크: https://www.cell.com/joule/abstract/S2542-4351(25)00357-5

※ 줄(Joule): Cell Press에서 2017년 창간하여 첨단 에너지 기술과 관련된 연구를 주로 다루는 국제 학술지로, 물리화학, 에너지와 연료, 재료과학 등 다양한 과학 분야에서 높은 영향력을 가진 저널

전기화학적 수처리 기술

전기화학적 수처리 기술은 축전식 탈염(Capacitive Deionization, CDI)을 기반으로 한다. 전극에 전압을 가하면 물 속 이온이 정전기적 인력에 끌려 전극에 흡착돼 깨끗한 물이 생성되는 방식이다. 특히 세제의 세정력을 저하시키고 물때를 유발하는 경도성 이온(Ca²⁺, Mg²⁺)을 효과적으로 제거한다.

멤브레인 기반 수처리 기술과 달리 물리적 필터를 사용하지 않아 유지∙보수가 간편하다는 장점이 있으며, 이 때문에 최근 활발한 연구가 진행되고 있다.

※ 축전식 탈염: 전기화학적 수처리 기술 중 하나로, 전극에 전압을 가해 물 속의 이온을 제거하는 기술

※ 멤브레인: 기체나 액체의 미세한 입자를 선택적으로 통과시키거나 차단하는 얇은 막(분리막). 주로 수처리, 공기정화, 방수·방진, 식품·정밀기기 분리 등 다양한 산업 분야에서 핵심 소재로 활용

그러나 전기화학적 수처리 기술은 전극 재생 과정에서 추가 전력이 소모되고, 이온교환막 사용이 필수적이어서 비용이 높다는 단점이 있다. 이온교환막은 특정 전하를 띤 이온만 선택적으로 투과시키는 멤브레인으로, 전극 재생 과정에서 이온의 재흡착을 방지할 수 있지만 비용이 높아 상용화의 걸림돌로 지적돼 왔다.

삼성전자-성균관대 연구팀의 혁신적 돌파구

삼성전자와 성균관대학교 연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 이온교환막 없이 적용 가능한 차세대 전기화학적 수처리 기술을 개발했다. 이 기술은 모듈 구성 비용이 저렴하고 높은 용량의 경도성 이온 제거가 가능하며, 전극 재생 과정에서 발생한 전력을 외부 기기에 공급할 수 있어 다목적 수처리 기술로 활용될 전망이다.

이번 연구는 삼성전자 삼성리서치 라이프솔루션팀과 성균관대학교 화학공학과 박호석 교수 연구팀이 공동으로 수행했다. 삼성전자는 아이디어 착안부터 실험 설계, 구현과 검증까지 전 과정에 참여해, 독창적인 전기화학적 수처리 기술의 가능성을 입증하는 데 기여했다.

저장 메커니즘의 차별화: 차세대 수처리 전극 개발

연구팀은 기존 전극 소재와 차별화된 금속산화물 기반 나노 구조체를 전극 소재로 활용했다. 이를 통해 직접적인 전자 교환만으로도 이온교환막 없이 선택적 이온 저장과 자발적 재생이 가능한 수처리 전극을 개발했다. 이는 기존 기술의 한계를 극복한 혁신적 접근법으로, 연구팀이 개발한 전극은 기존 전극보다 이온 저장 용량이 200% 높고, 저장 속도는 20% 향상됐다.

기존 전극 소재는 정전기적 인력으로 이온을 제거하기 때문에 전극 재생 시 재흡착을 방지하기 위한 고가의 이온교환막을 필요로 했다. 그러나 연구팀이 개발한 새로운 전극은 직접적인 전자 교환으로 이온을 저장하고 자발적으로 탈착하도록 해, 이온교환막을 전혀 사용하지 않아도 되는 기술적 진전을 이뤘다.

전력 회수를 통한 수처리-에너지 복합체로의 확장 가능성

기존 전기화학적 수처리 기술은 반복적인 구동을 위해 추가적인 전력 공급을 통한 전극 재생이 필수적이었다. 이 과정에서 이온의 순간적인 탈출로 인해 과전류가 발생하고 음극과 양극이 뒤바뀌어 저장된 에너지의 활용 역시 불가능했다.

반면 연구팀이 개발한 차세대 수처리 전극은 추가 전력 공급 없이도 자발적 전극 재생이 가능해 이러한 문제에서 자유롭다. 나아가 저장된 에너지를 회수하고 주변 기기로 전력을 공급할 수 있는 신개념 수처리 기술이다. 연구팀은 이번 기술의 전기화학적 수처리 모듈 가동에 필요한 전력이 기존 기술의 절반 이하인 76Wh/kg임을 확인했다.

미래 기술로의 확장: 가전제품 및 환경 솔루션

차세대 전극이 적용된 전기화학적 수처리 모듈은 식기세척기, 세탁기, 정수기 등 물 사용 가전에 탑재돼 수처리와 보조 전력 공급을 동시에 수행하는 다목적 모듈로 활용될 수 있다. 이는 환경 친화적 솔루션을 제공하는 미래 핵심 기술로 자리 잡을 것으로 예상된다.

삼성전자는 이번 연구를 발판으로, 환경과 에너지 분야의 미래를 선도할 원천 기술 확보를 위해 산학 협력과 다양한 연구를 지속할 계획이다. 이를 통해 지속 가능한 미래를 위한 혁신 기술 개발에 한층 박차를 가할 것이다.