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에너지의 재탄생 시킨다! ‘에너지 하베스팅’

  • 2015.05.29.
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에너지하베스팅

 

오늘날 우리들의 생활을 생각해 보면 기술의 발전과 함께 변화가 있었다는 것을 알 수 있습니다.
가장 쉽게 예를 들 수 있는 것이 바로 컴퓨터, 사진, 휴대폰, MP3 등과 같이 우리의 일상에서 쉽게 접할 수 있는 것들입니다.

개인용 컴퓨터(PC)가 생겨나면서 직장인들의 업무 환경이나, 나라의 행정 업무 그리고 다양한 분야에서 활용되면서 우리의 삶에 변화를 가져왔습니다.

휴대폰이 등장하면서 사람들의 연락은 더 편해졌으며, 가족이나 친구에게 연락을 하기 위해 전화번호를 수첩에 메모해가면서 기억하던 모습은 찾아보기 어려워졌습니다. 거기에 ‘스마트폰’이 등장하게 되면서 우리는 또 한 번 생활의 변화를 맞이했습니다.

스마트폰 시대에 접어들면서 인기를 끌게 된 상품이 있는데요. 바로 ‘보조배터리‘입니다.
이전에 폴더 또는 슬라이드 형식이 주를 이뤘던 피처폰을 썼을 때는 한번 충전하면 2~3일은 끄떡없던, 가끔 스마트폰을 사용하다 보면 그때의 오래가던 배터리가 종종 그리워지기도 합니다.

물론 ‘스마트폰’이 ‘피처폰’ 보다 전력을 많이 사용할 수밖에 없다는 사실을 알고 있습니다.
하지만 매년 눈부신 속도로 하드웨어적, 소프트웨어적으로 발전하는 스마트폰 반면 배터리의 발전 속도는 그에 따라가지 못하고 있는 것이 사실입니다.

최근에 이런 에너지 문제를 해결할 수 있는 ‘에너지 하베스팅(energy harvesting)’기술이 주목을 받고 있다는데요.
오늘은 이 에너지 하베스팅이 무엇인지 함께 이야기를 나눠보려 합니다.

 

에너지 하베스팅

 

◆ ‘에너지 하베스팅(energy harvesting)’은 무엇인가요?

에너지 하베스팅(energy harvesting)’은 일상생활에서 버려지거나 소모되는 에너지를 용어 그대로 수확하여 모아 전력으로 재활용하는 기술로 사용할 수 있는 전기에너지로 변환하고 이용하는 것을 이야기 합니다.

에너지 하베스팅의 주요 에너지원이 되는 것은 진동, 빛, 열, 전자기파, 사람의 움직임 등인데 서로 다른 금속접합으로 이뤄진 폐쇄회로에서 접점의 온도가 다르면 전류가 흐른다는 ‘제베크 효과’와 반대로, 회로에 전류를 흘려주면 접점의 한 쪽에서는 열을 내고 다른 한쪽은 열을 흡수한다는 ‘펠티에 효과’ 등을 통칭하는 ‘열전효과‘와 압력을 가하면 전기가 발생하는 ‘압전효과‘를 이용한 기술입니다.

버려지는 에너지를 사용할 수 있는 전기 에너지로 바꿔 준다는 점에서 어떻게 생각해 보면 전에 말씀드렸던 업사이클 하우스가 떠오릅니다.

 

에너지 하베스팅

 

◆ 두발로 걷는 것만으로도 에너지를 만들 수 있다고?

좀 더 쉽게 접근해서 에너지 하베스팅에 대해 설명을 하자면 집 또는 사무실을 비추는 조명에서는 빛에너지가 나옵니다.
그리고 우리가 한 걸음씩 걸을 때마다 발바닥이 땅바닥을 누르는 압력에너지가 생기죠.

자동차나 기차, 비행기 등이 움직일 때 극심한 진동과 열이 발생합니다.

이런 모든 것들이 다 에너지라고 할 수 있는데 이 밖에도 발전소나 공장에서 돌아가는 기계에서도 진동과 열이 나오고, 휴대전화 기지국이나 방송국에서는 전자파가 방출되는 등 대부분의 생활 속에서 자연스럽게 버려지는 에너지가 발생하게 됩니다.

그렇다면 에너지 하베스팅이라는 개념은 언제부터 시작이 되었을까요?

 

이는 1954년 미국 벨연구소가 태양전지 기술을 공개할 때 처음 나왔습니다.

대표적으로 태양광을 수집하는 태양전지, 열을 모으는 열전소자, 진동이나 기계적 변위를 전기로 전환하는 압전소자, 전자기파를 수집하는 RF 방식 등이 있습니다.

특히 압전소자는 다른 소자보다 효율이 높고 작은 기기에 적용하기 쉬워 꾸준히 개발되고 있습니다.

지난 2006년 일본 후지사와에 설립된 대학벤처기업인 ‘음력발전사’는 가로 세로 50cm 크기의 보도블록 모양으로 생긴 ‘발전마루‘를 개발했습니다.

이는 사람이나 자동차, 자전거 등이 지나갈 때 나오는 진동에너지를 전기로 바꿔주는 제품인데요.
발전마루는 하루 최대 200kW 전력을 생산한 기록이 있습니다.

우리나라에서는 이호용 선문대 재료공학부 교수팀이 지난 2009년 기존 압전소자에 불순물을 첨가하는 방법(도핑)으로 전력 변환 효율을 100배 가량 향상시켜 화제가 되기도 하였습니다.

최근에는 전선 주변에 생기는 전자기 유도 현상(자기장과의 상호작용에 의해 회로에 전류가 생겨나는 현상)을 이용하거나 우리가 사용하는 와이파이(Wi-Fi)의 전파에너지를 모으는 등 새로운 기술이 잇따라 등장하고 있습니다.

지난해 4월에는 김연상 서울대 융합과학기술대학원 교수와 권순형 전자부품연구원(KETI) 책임연구원 공동연구팀이 떨어지는 물방울을 전기에너지로 바꾸는 기술을 개발했는데 흐르는 물에서 전기를 생산한 최초의 사례라고 합니다.

미국의 워싱턴포스트지는 ‘변기 물 내리는 힘(The power in a toilet flush)’이라는 제목으로 이 연구 성과를 보도하기도 하는 등 화제가 되기도 하였습니다.

 

◆ 당장이라도 쓰고 싶은 에너지 하베스팅 왜 지금은 안 될까?

버려지는 에너지를 사용하는 에너지 하베스팅의 개념이나 기능 자체는 매력적이지만 당장에 사용할 수 없는 것은 이유가 있습니다.

우선 가장 큰 단점으로 변환되는 에너지의 출력이 들쭉날쭉하다는 것입니다.

흐리거나 비가 오면 태양광 전지는 무용지물이며, 도로에 자동차가 지나가지 않으면 압전소자는 전기를 전혀 만들 수 없다.
특히 소자의 효율이 현재로서는 너무 낮은 편입니다.

기차가 다리를 지날 때 생기는 진동을 이용해 에너지 하베스팅을 하기에는 보청기 충전도 한번 하기 힘든 에너지를 발생시킵니다.

이 교량 진동은 넓은 주파수대에서 나타나는데, 압전소자는 아직 특정 주파수대의 에너지만 수집할 수 있기 때문에 제한적이라는 단점이 있습니다.

버려지는 에너지를 사용하는 에너지 하베스팅 기술이 발전하게 되면 우리는 배터리가 따로 필요 없는 시대에서 살게 될지도 모르겠습니다.

에너지 효율을 높일 수 있는 에너지 하베스팅 그 이름처럼 에너지를 수확하는 것처럼 좋은 성과를 수확했으면 좋겠습니다.

 

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