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산업혁명 이후 빠르게 발전하며 달려온 우리의 눈앞에는 대기오염과 지구 온난화라는 큰 문제가 버티고 있다.
이 두 환경문제를 한꺼번에, 제대로 해결하면서 더욱 발전할 방법은 없을까?

전화기, 즉 전기화학기기가 그 완벽한 대안이다.
전기화학기기의 발전사와 현재 일어나고 있는 에너지 혁명을 상세하게 다루는 『전화기는 어떻게 세상을 바꾸는가』를 통해 다시 청정한 공기를 누릴 미래를 만나보자.

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.

들어가며ㆍ 7

1장 | 에너지 혁명
1. 재생에너지와 스마트 그리드ㆍ 18
2. 분산에너지와 제로에너지 하우스ㆍ 29
3. 재생에너지와 원격조정?자율주행 시스템ㆍ 43
4. 블록체인과 신재생에너지ㆍ 48
5. 생체 보조 로봇과 바이오배터리ㆍ 56
6. 화석에너지를 대체할 인공 광합성ㆍ 62
7. 인공지능과 에너지 전환ㆍ 71

2장 | 전화기
1. 최초의 전지: 볼타전지ㆍ 80
2. 건전지: 세고 오래가는 알칼라인 망간전지ㆍ 89
3. 최초의 충전 가능한 전지: 납축전지ㆍ 94
4. 리튬전지: 왜 리튬인가?ㆍ 99
5. 휴대전화를 휴대전화답게: 리튬이온전지ㆍ 105
6. 전기자동차용 리튬이온전지ㆍ 114
7. 염료감응 태양전지: 광전기화학형 태양전지ㆍ 126
8. 창문에서 전기를 생산하는 염료감응 태양전지 모듈ㆍ 134
9. 똑똑한 유리창: 스마트 윈도ㆍ 139
10. 수소로 전기를 생산하는 연료전지ㆍ 145
11. 수소와 산소를 생산할 수 있는 광전기화학전지ㆍ 155
12. 에너지 밀도가 월등히 높은 금속공기전지ㆍ 160
13. 대규모 전력 저장을 가능케 하는 레독스흐름전지ㆍ 167
14. 출력 특성이 좋은 슈퍼 캐퍼시터ㆍ 175

마치며ㆍ 181
후기ㆍ 187

부록 | 이공계 전공 학생을 위한 기본 개념
1. 전도체의 일함수ㆍ 192
2. 산화환원반응과 산화제, 환원제ㆍ 196
3. 표준수소전극과 기준전극ㆍ 199
4. 산과 염기ㆍ 202
5. 전기와 자기 및 유도전류ㆍ 206
6. 반도체 물질의 밴드이론ㆍ 211

이산화탄소 배출을 줄이려면 전기자동차나 연료전지 자동차가 활성화되어야 합니다. 그런데 공교롭게도 전기자동차의 핵심인 전지(배터리)와 연료전지 자동차의 핵심인 연료전지 모두 전기화학기기(전화기)입니다. 이외에도 수많은 전기화학기기, 예를 들어 태양빛으로 전기를 생산할 수 있는 염료감응 태양전지, 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 등이 미래 청정에너지와 관련이 있습니다. 대기오염 문제와 지구 온난화를 동시에 해결할 수 있는 대안이 바로 전화기(전기화학기기)인 것입니다.
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제레미 리프킨은 저서 『3차 산업혁명』에서 3차 산업혁명의 핵심을 다음의 다섯 가지로 요약했습니다.

⑴ 재생 가능 에너지로 전환한다.
⑵ 건물에 재생 가능 에너지를 도입하여 에너지 생산과 소비를 효율적으로 한다(미니 발전소).
⑶ 수소 저장 기술, 전력 저장 기술을 보급하여 불규칙적으로 생산되는 에너지를 보존한다.
⑷ 인터넷 기술을 활용하여 각 대륙 간 동력 그리드를 인터넷과 동일한 원리로 작동하는 에너지 공유 인터그리드로 전환한다.
⑸ 교통수단을 전기자동차 및 연료전지 차량으로 교체하고 양방향 스마트 동력 그리드 상에서 전기를 사고팔 수 있게 한다.

즉 이 책에서 다루는 전기화학기기 및 재생에너지와 스마트 그리드가 3차 산업혁명의 핵심이라는 말입니다.
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재생에너지경제는 석유경제와 크게 다른 점이 있습니다. 석유경제가 한 곳에서 집중적으로 원유를 정제하여 필요한 곳에 분배하는 대량생산체계라면 재생에너지경제는 여러 곳에서 분산해서 생산하고 분산 소비하는 분산에너지체계입니다. 에너지를 생산하는 주체도 정부나 대기업에서 개인으로 바뀝니다. 그런데 자기가 생산한 에너지만 소비하라는 법은 없습니다. 태양빛이 좋아서 소비량보다 많은 전기를 생산할 경우 필요한 다른 가구에 보내 사용하게 할 수 있습니다. 말하자면 에너지를 거래하는 것이지요. 거래를 하려면 신용 있는 화폐가 필요합니다.