티끌 모아 태산

최근 각광 받고 있는 신재생 기술 중에는 에너지 하베스팅 기술이 있다. 에너지 하베스팅이란 우리 주위에서 존재하는 태양광, 열, 진동, 바람, 마찰 등과 같은 아주 작은 에너지들을 모으는 기술을 말한다. 에너지 하베스팅 기술은 크게 태양광으로부터 에너지를 얻는 솔라셀, 열로부터 전기에너지를 얻는 열전소자, 압력으로부터 전기에너지를 얻는 압전소자, 그리고 전자기파로부터 에너지를 얻는 공기전력방식 방식으로 나눌 수 있다. 이런 기술은 1945년 미국 벨 연구소에서 태양 전지 연구를 하며 소개되었지만 그 당시의 에너지 효율은 지금보다 낮아 에너지를 모아도 기기를 작동시키는 등의 일이 불가능했지만 최근 들어 과학 기술의 발전으로 에너지 발전 장치의 효율이 높아지며 생각보다 많은 에너지를 모을 수 있게 되었다. 작은 에너지를 수집하는 에너지 하베스팅의 원리를 알아보자

에너지 하베스팅 기술의 원리가 무엇일까

그럼 작은 에너지를 수확하는 원리가 무엇일까? 먼저 솔라 셀의 원리이다. 솔라 셀은 광전효과를 사용하는데 아인슈타인이 빛의 입자성을 이용하여 설명한 현상으로 금속 등의 물질에 일정한 진동수 이상의 빛을 비추었을 때 물질의 표면에서 전자가 튀어나오는 현상을 말합니다. N형 반도체와 P형 반도체를 접합시켜 태양빛 때문에 발생한 전자와 정공(반도체에서 전자가 부족한 상태로 상대적으로 양 전하로 보이는 상태를 말한다.)이 이동하면서 회로에 전류가 흐르는 방식을 사용한다.

두 번째는 열전소자의 원리이다. 제벡효과를 주로 사용하고 있고 둘 사이의 온도차를 사용한 방식이다. 먼저 제벡 효과는 상이한 두 금속을 접합하고 양쪽의 온도 차가 있으면 회로에 기전력이 발생해 전류가 흐르게 되는 원리를 이용한 것이다. 이 열전소자는 다른 것들과 다르게 대체 불가한 장점이 존재하는데 바로 어떠한 열원이라도 에너지를 얻을 수 있다는 것으로 이것은 절대로 에너지가 고갈되지 않는다는 것을 뜻한다.

세 번째로는 압전소자의 원리이다. 압전효과로 압력에 의하여 생성되는 원리이다. 힘을 가해 어떤 물질을 누르면 양전하와 음전하가 나뉘는 유전분극 현상이 일어난다. 이때 표면의 전하 밀도가 불균일하게 변하면서 전기가 흐르는 현상이 압전효과라고 하며 피에조 저항 효과라고도 한다. 이 압전 효과는 자세히 들여다 보면 결정구조에서 전기적 쌍극자를 가진 재료에 외력을 가하면 전기적 쌍극자에 변화를 일으켜 주변의 전기장이 바뀌는 것을 이용한 효과이다.

마지막으로는 공기전력공급 방식으로 전자기 유도를 이용한 기술로 코일 내부에 자기장이 변하면 자기장의 변화를 방해하는 방향으로 유도기전력이 생겨 유도전류가 흐르는 원리이다. 전자기 유도를 이용한 것은 무선 충전을 들 수 있긴 하지만 특정 기기와만 상호 작용하며 거리가 가까워야 한다는 특이점이 있다. 하지만 공기전력공급 기술은 작은 신호도 잡아 내야 하며 여러 진동수의 전자기파를 모두 수신해 에너지로 변환할 수 있어야 한다는 점에서 더 어려운 기술이라 할 수 있다.

에너지 하베스팅을 적용한 사례

첫째로 광전효과의 원리를 이용한 사례는 태양 전지가 대표적이며 다른 빛을 받아 에너지를 만드는 모든 사례가 광전효과를 사용했다 할 수 있다.

두 번째는 열전소자의 사례이다. 대표사례로는 SK에너지의 울산공장이 있는데 SK에너지는 2009년부터 울산 공장에서 버려지는 열(폐열)을 공장 가동에 사용하고 있는데 시간당 40여톤의 폐열 증기를 에너지의 원천으로 이용하고 있다. 또한 신체에서 뿜어져나오는 열을 활용해 에너지를 만드는 사례도 있는데 2013년 영국의 보다폰은 휴대폰을 충전할 수 있는 바지를 출시했다. 걷거나 움직일 때 몸에서 발생하는 에너지를 모아서 에너지를 생산해 휴대폰을 충전할 수 있다. 그리고 보다폰은 잠을 자는 동안 휴대폰 충전 가능한 침낭을 선보였는데 자는 동안 사람의 열을 사용해 에너지를 생산한다. 그리고 2014년 KAIST는 체온으로 스마트폰을 충전할 수 있는 웨어러블 충전기를 개발하였다.

세 번째는 압전소자의 이용사례이다. 일본의 음지 발전사는 2006년 생활 속에서 발생하는 압력을 활용하여 에너지를 생산하는 ‘발전 마루’를 개발하였다. 가로, 세로가 각 50cm인 이 기기는 하루 최대 200kW를 생산할 수 있다. 현재 지하철 통로나 개찰구에 설치되어 있다. 또한 영국의 페이브젠은 브라질 리우데자네이루 빈민가에 압전 기술을 활용한 축구장을 만들었는데 낮에 아이들이 뛰어놀면 에너지를 모아 밤에 총 6개의 LED를 켜 환하게 밝혀준다 한다. 국내에서도 많은 연구가 진행되고 있는데 한국과학기술연구원에서는 이소불화비닐을 이용한 도로에서 자동차가 누르는 압력을 사용해 전력을 생산하는 장치를 개발했다고 한다. 기존 기기보다 출력이 5배 이상 높고 인체에 해로운 납이 들어가지 않았다. 그리고 한국화학연구원은 기존 기기보다 성능이 100배 이상 높은 휘는 압력을 사용해 전력을 생산하는 압전을 발표한 적이 있다.

네 번째로 전자기에서 에너지를 수확하는 기술 이용 사례인데 2010년 RCA라는 회사가 공기 중의 WiFi 전파를 수신하여 에너지로 바꾸는 ‘에어너지’라는 기기를 공개하였으며 2015년에 휴대폰, TV, WiFi 기기에서 전자파를 수집하는 ‘프리볼트’라는 기계를 만들었는데 이 기기에는 다중 대역 안테나가 들어있어 에너지 저장효율을 높혔다.

지구 온난화 문제의 해결방안 중 하나로 에너지 하베스팅이 주목을 받고 있다. 지구의 평균 기온이 1,2도 정도만 상승해도 인류와 다른 생명체들에게 큰 영향을 준다. 그러므로 지금 빠르게 진행되고 있는 지구 온난화의 원인을 줄여나가야 하는데 에너지를 생산하는 효율성을 높이는 방법에서 에너지 하베스팅 기술이 활용될 수 있다. 에너지 하베스팅 방식은 새로운 에너지를 만드는 것이 아니라 작고 버려진 에너지를 재활용하는 방식이라 지구 온난화에 주는 영향이 없고 온실 가스도 나오지 않는 친환경적인 방식이다. 또한 에너지 하베스팅 기술의 효율도 증가하여 자원 고갈 문제도 해결할 수 있을지 모른다. 이러한 굉장히 많은 장점으로 시장에서도 주목 있다. 에너지 하베스팅의 시장 규모는 지금도 국내에서도 활발해지고 있으며 전세계적으로도 커지고 있다. 에너지 하베스팅 기술을 발전시켜 환경문제 걱정 없이 에너지를 생산해내는 세상이 빨리 오기를 기대한다.