2020년, 이제 모든 일을 ‘손목에 차는 컴퓨터’ 한 대로 해결할 수 있다. K씨도 스마트워치를 구매하기 위해 S사 대리점을 찾았다. 그런데 점원이 추천한 신제품을 보곤 깜짝 놀랐다. 기기가 고장 나기 전까진 배터리를 교체하거나 충전할 필요가 없었던 것. 비밀은 체열을 이용해 전기를 만드는 손톱만한 부품에 있었다. 웨어러블 기기를 책임질 신기술, 바로 ‘에너지 하베스팅’이다.  

http://www.woorigachi.com/xe/technology/127370 

 

                             버려지는 에너지를 수집해 전기로 바꿔 쓰는 기술 ‘에너지 하베스팅’

종종 그립다. 한 번 충전하면 2~3일은 끄떡 없던 ‘피처폰’이. 지하철이나 공중 화장실에서 휴대폰을 충전하는 사람들이 10년 전엔 없었다. 그러나 어쩌랴, 휴대전화의 눈부신 발전 속도에 비해 배터리는 거북이 걸음이다. 설상가상 전자기기는 점점 작아져 배터리가 설 자리가 사라졌다.

최근 ‘에너지 하베스팅(energy harvesting)’이 새로운 해결책으로 급부상했다. 그냥 버려지는 에너지를 수집해 전기로 바꿔 쓰는 기술이다. 가령, 집이나 사무실 조명에서는 빛에너지가 나온다. 우리가 한 걸음씩 걸을 때마다 발바닥이 바닥을 누르는 압력에너지가 생긴다. 자동차나 기차, 비행기 등이 움직일 때 극심한 진동과 열이 발생한다. 다 에너지다. 발전소나 공장에서 돌아가는 기계에서도 진동과 열이 나오고, 휴대전화 기지국이나 방송국에서는 전자파가 방출된다. 김용찬 고려대 기계공학과 교수는 “이런 에너지를 수집해 전기로 바꿔 쓰는 게 에너지 하베스팅의 개념”이라고 설명했다.

“우리 주변에서 발생하는 수많은 에너지는 최종적으로 소리나 열로 전환돼 허공에서 사라집니다. 이런 사실을 우리는 전혀 의식하지 못하고 있죠. 버려지는 에너지만 잘 모아도 전자기기의 효율을 지금보다 훨씬 더 높일 수 있을 겁니다.”

자동차에 주입한 연료 100 중 18.2만이 실제 운행에 사용된다. 나머지는 대부분 엔진이나 배기가스 열로 버려진다.

과연 사라지는 에너지의 양은 얼마나 될까. 간단히 계산해보자. 사람의 체온은 늘 36.5℃다. 주변 온도가 이보다 낮다면 열이 빠져 나온다(주로 머리를 통해). 일반적으로 잘 때 75W, 깨 있을 때 120W, 가벼운 일이나 운동을 할 때 190W, 아주 어려운 일이나 운동을 할 때 700W가량의 열이 나온다. 스마트폰은 한 번 충전에 약 2.5W가 필요하다. 만약 운동할 때 나는 열의 1%만 전기로 바꿀 수 있다면 스마트폰 두 대 이상을 충전할 수 있다.

에너지 하베스팅이라는 개념은 1954년 미국 벨연구소가 태양전지 기술을 공개할 때 처음 나왔다. 대표적으로 태양광을 수집하는 태양전지, 열을 모으는 열전소자, 진동이나 기계적 변위를 전기로 전환하는 압전소자, 전자기파를 수집하는 RF 방식 등이 있다. 특히 압전소자는 다른 소자보다 효율이 높고 작은 기기에 적용하기 쉬워 꾸준히 개발돼 왔다. 2006년 일본 후지사와에 설립된 대학벤처기업인 음력발전사는 사람이나 자동차, 자전거 등이 지나갈 때 나오는 진동에너지를 전기로 바꾸는 ‘발전마루’를 개발했다. 가로 세로 50cm 크기의 보도블록인 발전마루는 하루 최대 200kW 전력을 생산했다. 국내에서는 이호용 선문대 재료공학부 교수팀이 지난 2009년 기존 압전소자에 불순물을 첨가하는 방법(도핑)으로 전력 변환 효율을 100배 가량 향상시켜 화제가 됐다.

이미지 목록

미국 캔자스주립대 공대 학생들이 우주인의 건강을 자동으로 체크해주는 스마트 우주복을 만들어 실험하고 있다.

체열로 전기를 만들어 헬스케어기기를 구동하는 에너지 하베스팅 장치.

최근에는 전선 주변에 생기는 전자기 유도 현상을 이용하거나 와이파이(Wi-Fi)의 전파에너지를 모으는 등 새로운 기술이 잇따라 등장하고 있다. 지난해 4월, 김연상 서울대 융합과학기술대학원 교수와 권순형 전자부품연구원(KETI) 책임연구원 공동연구팀은 떨어지는 물방울을 전기에너지로 바꾸는 기술을 개발했다. 물방울 전기생산은 10여 년 전부터 연구돼 왔는데, 주로 물방울을 누르는 경우에 치중해 있었다. 샤워기나 변기 물내림 등 흐르는 물에서 전기를 생산한 건 이번이 처음이다. 실험 결과, 40μL(마이크로리터) 가량의 물방울이 흐를 때 최대 0.42mW의 전기를 생산했다. 이는 LED 전구 3~4개를 켤 수 있는 전력이다. 미국 워싱턴포스트지는 ‘변기 물 내리는 힘(The power in a toilet flush)’이라는 제목으로 이 연구 성과를 보도했다.

김호영 서울대 기계항공공학부 교수팀은 깃발의 펄럭임을 이용해 전기를 생산하는 시스템을 개발했다. 연구팀은 금으로 코팅한 전도성 직물로 깃발을 만들고, 전자 친화도가 높은 필름을 붙인 판을 설치했다. 깃발이 펄럭이면서 판에 주기적으로 접촉하면 맴돌이 전류가 생긴다. 김 교수는 “깃발 200개를 단 자동차를 시속 60~70km로 운행해 스마트폰을 1시간 만에 100% 충전 할 수 있다”고 말했다.

“에너지 하베스팅은 ‘자투리’ 에너지로 전기를 만드는 데 의의가 있습니다. 기존에는 애써 밀리와트(mW)급 전력을 모으지 않았는데, 이제 쓸 수 있는 분야가 생기기 시작한거죠.” 김호영 교수는 “앞으로는 사물인터넷이나 웨어러블기기, 헬스케어기기 등 소형 저전력 전자기기에 에너지 하베스팅이 역할을 톡톡히 할 전망”이라고 덧붙였다.

실제로 애플과 삼성이 스마트워치를 내놓은 이후 웨어러블 기기에 쓸 수 있는 에너지 하베스팅 신기술이 급부상했다. 지난해 4월, 조병진 KAIST 전기및전자공학과 교수팀은 입을 수 있는 섬유형 열전소자를 개발했다. 기존 열전소자는 단단하고 무거워 웨어러블 기기에 적용하기가 쉽지 않았다. 조 교수팀은 유연한 섬유 위에 열전소자를 만드는 기술을 개발해 같은 전력을 생산하는 기존 소자에 비해 무게를 14배 줄일 수 있었다.

 

전자기기별 전력소모량 비교 - 에너지 하베스팅 기술은 주변의 자투리 에너지를 모아 소량의 전기를 만들기 때문에 100mW 이하를 쓰는 기기(붉게 표시한 부분)에 알맞다. 전구와 계산기의 소모전력 차이는 코끼리와 개미의 몸무게 차이와 비슷하다(약 1억 배).

 

에너지 하베스팅은 사물인터넷 분야에서도 빛을 발할 전망이다. 사물인터넷은 수많은 전자제품에 설치된 무선 센서가 주기적으로 데이터를 수집해 중앙센터로 보낸다. “건물이나 댐의 구조적 안정성을 주기적으로 점검하거나 환경오염 감시, 정찰 및 안전감시, 농작물 관리 시스템, 항공기 수명 진단 등 사물인터넷 중 안전관리 분야의 잠재력이 가까운 미래에 폭발할 겁니다. 여기에 쓰이는 환경감시나 안전점검 센서를 주변 에너지로 구동하면 배터리 교체 없이 수 년 이상 쓸 수 있죠.”(김용찬 교수)

사실 넓은 지역에 설치한 온갖 센서에 전선을 연결해 전력을 공급하는 건 현실적으로 불가능하다. 또한, 배터리 수명이 다하면 사람이 일일이 다니며 교체해야 하기 때문에 유지비용이 많이 든다는 단점이 있다. 이를 해결하기 위해 미국의 마이드(MIDE)사는 유연하면서 잘 깨지지 않는 압전소자를 개발해 무선 센서의 자가 발전장치 용도로 상용화했다.

장점이 많지만 에너지 하베스팅은 갈 길이 아직 멀다. 가장 큰 단점은 출력이 들쑥날쑥 하다는 것. 흐리거나 비가 오면 태양광 전지는 무용지물이다. 도로에 자동차가 지나가지 않으면 압전소자는 전기를 전혀 만들 수 없다. 특히 소자의 효율이 현재로서는 너무 낮다. 예를 들어 권순덕 전북대 토목공학과 교수팀이 2011년 연구한 바에 따르면, 열차가 한 번 교량을 통과할 때 생산된 전력은 KTX 열차가 28.5μW, 새마을 열차가 0.65μW, 무궁화열차가 0.51μW로 나타났다. 보청기 하나 충전하기에도 턱 없이 모자란 양이다. 교량 진동은 넓은 주파수대에서 나타나는데, 압전소자는 아직 특정 주파수대의 에너지만 수집할 수 있기 때문이다. 권 교수는 “철도가 지나갈 때 생기는 교량 진동은 에너지 공급원으로 효율성이 떨어진다”며 “넓은 주파수대에서 보다 효율적으로 작동하는 압전소자가 필요하다”고 밝혔다.

스웨덴 스톡홀름에 있는 한 건축설계 사무소(Belatchew Arkiteckter AB)는 2013년 11월, 낡은 건물의 윗부분을 압전소자로 대체해 전기를 생산하겠다는 구상을 밝혔다.

다행히 이 분야에 뛰어드는 과학자가 많아지면서 해결책도 속속 나오고 있다. 예를 들어 최근 하와이대 토목환경공학과 데이비드 마 교수팀이 다양한 주파수 대역에 반응하는 압전소자를 개발했다. 기존 압전소자는 전체 진동 중에서 버리는 주파수대의 에너지가 많았는데, 이제는 수확할 수 있는 에너지가 훨씬 많아져 효율을 올릴 수 있게 됐다. 특히 20세기 들어 나노기술이 발전하면서 기존에 버려졌던 아주 미세한 에너지까지 효과적으로 수확할 수 있게 됐다. 예컨대, 열전소자를 나노구조로 만들면 효율이 높아진다. 전기를 계속 생산하려면 열을 차단해 온도 차를 유지해야 하는데, 우리가 아는 대부분의 물질은 전기가 잘 흐르면 열도 잘 흐른다. 이 때 재료를 특정 나노구조로 만들면 우리가 원하는 대로 열은 차단한 채 전기만 흐르게 할 수 있다.

[에너지 하베스팅의 네 가지 원리]
현재 가장 많이 쓰이는 에너지 하베스팅 소자는 크게 네 가지 물리 현상을 이용한다.

 

 

압전효과
어떤 물질은 기계적으로 누르면 양전하와 음전하가 나뉘는 ‘유전 분극’이 일어난다. 이때 표면의 전하 밀도가 변하면서 전기가 흐르는 ‘압전효과’가 발생한다. 1880년 프랑스 큐리 형제가 처음 발견했다. 대표적인 예로, 라이터와 가스 버너가 있다. 내부에 압전소자와 작은 망치가 들어 있다. 라이터를 누르면 망치가 압전소자를 때린다. 여기서 생긴 전류가 온도를 높여 가스에 불이 붙는다. 지금까지 수정, 로젤염, 지르코늄티탄산납(PZT) 등 다양한 소재가 발견됐다. 이호용 선문대 재료공학부 교수팀은 PZT의 극성을 띤 분자를 특정 위치에 가지런히 모으는 기술을 개발해 압전 효율을 높이는 데 성공했다.

 

 

열전효과
온도가 차이날 때 전류가 흐르는 현상을 통칭한다. 제벡효과, 펠티에효과 등이 있다. 제벡효과는 서로 다른 두 금속의 양쪽 끝을 붙인 뒤 한쪽을 가열하면, 온도 차가 생기면서 전류가 흐르는 현상이다. 1821년 독일의 제백이 처음 발견했다. 온도 차가 클수록 전기도 세다. 1834년 프랑스의 펠티에가 발견한 펠티에효과는 반대로 전류를 흘려주면 시료 양단에 온도 차가 발생하는 현상이다. 가정용 와인냉장고나 소형 화장품냉장고 등에 쓰이고 있다. 지난해 4월, 조병진 KAIST 전기및전자공학과 교수팀은 섬유형 열전소자를 개발했다. 팔에 두를 수 있는 밴드(가로 세로 각 10cm)로 제작하면 외부 기온이 영상 20℃일 때(체온과 약 17℃ 차이가 나는 경우) 웬만한 반도체 칩을 구동할 수 있는 약 40mW의 전력을 생산한다. 윗옷 크기로 만들면 약 2W의 전력을 생산해 휴대폰 사용도 가능하다

 

 

광전효과
금속 등이 고에너지 전자기파를 흡수할 때 전자를 내보내는 현상이다. 알베르트 아인슈타인이 이 현상을 빛의 입자성으로 설명해 1921년 노벨 물리학상을 받았다. 이 현상은 태양전지에 많이 사용된다. 태양전지는 다른 성질을 가진 P형과 N형 반도체를 접합해 만든다. 외부에서 광자가 흡수되면 광자 에너지 때문에 전자와 정공 쌍이 만들어진다. 전자는 N형 반도체로, 정공은 P형 반도체로 이동한다. 이 이동을 통해 회로에 전류가 흐른다. 지난해 3월, 민병권 KIST 청정에너지연구센터 박사팀은 앞면으로는 태양빛을, 뒷면으로는 실내 조명을 흡수해 동시에 전기를 만드는 양면 박막 태양전지를 개발했다.

 

 

RF
전파를 이용한 무선 통신을 뜻한다. 여기서 RF(radio frequency)란 파장이 1mm~100km 범위, 즉 진동수 3KHz~300GHz까지의 전자기파다. 무전기, 이동통신, 주파수공용무선통신시스템, 위성전화 같은 음성 통신과 무선인터넷, 와이브로, HSDPA와 같은 데이터 통신이 있다. 이런 전자기파를 수집해 전기로 바꿀 수 있다. 약 100년 전 미국의 발명가 니콜라 테슬라가 허공을 통해 무선으로 전기를 보내는 계획을 세운 바 있다(후원금을 모으지 못해 실제 송신탑 건설은 이루지 못했다). 2010년 미국 라스베이거스에서 열린 국제가전박람회(CES)에서 RCA라는 회사가 에어너지(Airnergy)라는 새로운 충전기기를 공개했다. 와이파이 전파에너지를 포집해 소형기기의 전력원으로 바꾼다.

에너지 하베스팅은 이미 유럽과 미국을 중심으로 빠르게 확산되고 있다. 영국의 시장조사기관인 아이디테크엑스(IDTechEx)에 따르면, 전세계 에너지 하베스팅 시장규모가 2020년에 43억7000만 달러(한화 약 4조7294억 원)에 달할 것으로 전망된다. 앞서 언급한 일본 음력발전사의 압전블록은 2010년 실제로 신 에노시마 수족관에 도입됐다. 이스라엘의 이노베이트테크사는 압전소자를 도로와 철도, 공항활주로에 설치해 신호등과 철도차단기, 가로등 등에 전력을 공급했다.

앞으로는 적용 분야도 더욱 확대될 것이다. 미국은 군인 웨어러블 기기에 활발히 투자하고 있다. 캐나다에 본사를 둔 ‘바이오닉파워’사는 사람 다리에서 에너지를 생산하는 ‘파워워크엠(PowerWalk M)’이라는 기기를 개발 중이다. 미국 해병대가 실험하고 있는 것으로 알려졌다. 미국 MIT와 방위고등연구계획국(DARPA)은 0.9~3mW발전이 가능한 전투화 시제품을 내놓기도 했다.

국내에서도 연구가 활발하다. 특허청에 따르면 수십 마이크로와트(μW) 수준의 극소량 전력을 얻는 마이크로 에너지 하베스팅 관련 특허출원이 2007년 27건에서 2013년 167건으로 최근 7년간 6배 이상 성장했다. 열전 및 압전 기술이 전체 특허출원의 88.5%를 차지하고 있다. 조병완 한양대 건설환경공학과 교수는 “에너지 하베스팅은 가까운 미래에 등장할 스마트시티에 꼭 필요한 기술”이라고 말했다.