더 이상 환경을 파괴할 수는 없다
인간이 인류에게 편리한 물건을 만들수록 지구의 자연은 파괴되고 있다. 도로만 있으면 자동차를 타고 어디든 빠르게 달려갈 수 있게 되었지만 이 자동차에 사용되는 화석연료 때문에 대기는 계속 오염되고 있고 지구 온난화도 빠르게 진행되고 있다. 지구의 푸르름을 온전하게 누리며 살 수 없는 시대가 된 것이다. 편리하면서도 환경에 부정적인 영향을 미치지 않는 에너지를 개발하고 사용해야 할 때가 되었다.
최근 국내 연구진이 물에 빛을 쪼여 수소를 분해할 수 있는 광촉매의 효율을 엄청나게 높인 새로운 촉매를 개발했다. 이름하여 단원자 구리·이산화티타늄 촉매를 세계 최초로 개발한 것이다.
기존에는 수소를 분해할 때 값비싼 백금이나 이산화티타늄 광촉매를 사용했다고 한다. 비용이 많이 들 수밖에 없는 구조였다. 하지만 이번에 개발된 촉매는 값싼 구리와 티타늄을 사용해 원재료 비용이 거의 들지 않을 정도가 되었으며 이전에 사용하던 광촉매보다 1.5배 뛰어난 성능을 보인다. 성능과 저렴한 가격이라는 두 마리 토끼를 모두 잡은 셈이다.
아직 이 광촉매를 이용한 수소 생산 규모는 실험실에서 생산하는 수준에 그치지만 이후 다양한 산업에 적용하고 상용화가 되면 대기 오염과 지구 온난화를 일으키는 화석연료 자동차에서 수소차로의 전환이 더 빠르게 진행될 것이다.

전기화학기기, 환경 보호와 미래 발전이라는 두 마리 토끼를 모두 잡다
이러한 광촉매의 물 분해 현상은 혼다-후지시마 효과(Honda-Fusishina effect)라고도 부르는데, 1967년에 처음 증명된 이후 이후 염료감응 태양전지, 광전기화학전지, 인공 광합성 등의 기술로 응용되었다. 여기서 태양빛으로 전기를 생산할 수 있는 염료감응 태양전지와 수소와 산소를 생산할 수 있는 광전기화학전지가 이 책, 『전화기는 어떻게 세상을 바꾸는가』의 주인공 전기화학기기(이하 전화기)이다. 이외에도 햇빛의 강도에 따라 색이 변해 투과율을 조절할 수 있는 전기변색 소자, 물을 분해하여 수소를 생산하는 수전해기, 하이브리드 자동차에 장착하면 순간적인 출력을 높여주는 슈퍼 캐퍼시터, 금속을 교체하면 전력을 생산할 수 있는 금속공기전지 등의 다양한 전화기가 있으며 지금도 계속해서 개발되고 있다.
화석에너지의 대체에너지로 크게 전기에너지와 최근 큰 발전을 이룬 수소에너지가 꼽힌다. 그런데 공교롭게도 전기자동차에 들어가는 전지와 수소자동차 안에 들어가는 연료전지가 모두 전화기에 속한다. 특히 전지는 전화기의 대표격이라고 할 수 있다. 결국 청정에너지를 만들어 대기오염 문제와 지구 온난화를 동시에 해결할 수 있는 대안이 바로 전화기인 셈이다. 전화기가 우리의 미래에서 얼마나 중요한 자리를 차지할지 가늠할 수 있는 대목이다.
『전화기는 어떻게 세상을 바꾸는가』는 이처럼 더 밝은 미래를 만들고 준비하는 데 도움을 주는 책이다. 미래를 예측하는 일은 어렵지만 『전화기는 어떻게 세상을 바꾸는가』가 이야기하는 바를 따르다 보면 미래의 우리가 어떻게 살아갈지 조금이나마 예상할 수 있을 것이다. 그리고 그 미래는 환경 보호와 발전이라는 두 마리 토끼를 모두 잡은 미래일 것이다.

고려대학교 화학과를 졸업한 후 동대학원에서 석사, 박사 학위를 취득하였다. 프랑스 보르도 1대학에서 박사후 과정을 하였고 2003년부터 한국에너지기술연구원에서 책임연구원으로 근무하고 있다.

한국에너지기술연구원에서 수여하는 우수 기술상, 우수 논문상, 우수 직원상을 수상하였고, 2018년에는 미국 캘리포니아 애너하임에서 개최된 ‘테크커넥트 월드 2018(TechConnect World 2018)’행사에서 이노베이션 어워드(Innovation Award)를 수상하였다.

과학기술연합대학원 대학교(UST)의 전임교수로 전기화학기기에 대한 강의를 하고 있으며, 한국전기화학회 광전기화학분과 회장을 맡고 있다. 리튬이온전지, 염료감응 태양전지, 전기변색유리 등 다양한 전기화학기기를 연구하였고 최근 햇빛을 받으면 자동으로 색이 변하는 스마트 유리를 개발하여 기업과 공동으로 상용화를 추진 중에 있다.

들어가며 · 7

1장 | 에너지 혁명
1. 재생에너지와 스마트 그리드 · 18
2. 분산에너지와 제로에너지 하우스 · 29
3. 재생에너지와 원격조정·자율주행 시스템 · 43
4. 블록체인과 신재생에너지 · 48
5. 생체 보조 로봇과 바이오배터리 · 56
6. 화석에너지를 대체할 인공 광합성 · 62
7. 인공지능과 에너지 전환 · 71
2장 | 전화기
1. 최초의 전지: 볼타전지 · 80
2. 건전지: 세고 오래가는 알칼라인 망간전지 · 89
3. 최초의 충전 가능한 전지: 납축전지 · 94
4. 리튬전지: 왜 리튬인가? · 99
5. 휴대전화를 휴대전화답게: 리튬이온전지 · 105
6. 전기자동차용 리튬이온전지 · 114
7. 염료감응 태양전지: 광전기화학형 태양전지 · 126
8. 창문에서 전기를 생산하는 염료감응 태양전지 모듈 · 134
9. 똑똑한 유리창: 스마트 윈도 · 139
10. 수소로 전기를 생산하는 연료전지 · 145
11. 수소와 산소를 생산할 수 있는 광전기화학전지 · 155
12. 에너지 밀도가 월등히 높은 금속공기전지 · 160
13. 대규모 전력 저장을 가능케 하는 레독스흐름전지 · 167
14. 출력 특성이 좋은 슈퍼 캐퍼시터 · 175

마치며 · 181
후기 · 187

부록 | 이공계 전공 학생을 위한 기본 개념
1. 전도체의 일함수 · 192
2. 산화환원반응과 산화제, 환원제 · 196
3. 표준수소전극과 기준전극 · 199
4. 산과 염기 · 202
5. 전기와 자기 및 유도전류 · 206
6. 반도체 물질의 밴드이론 · 211