Special Report l Energy Harvesting / 기술현황

지진도 에너지로 바꿀 수 있는 기술

에너지 하베스팅 기술개발 어디까지 왔을까? 우리 주변은 열, 진동, 빛, 전파 등 다양한 형태의 에너지로 차 있다. 에너지의 대부분은 희박한 상태로 존재하고 있어 유효하게 활용되지 못하고 있다. 그러한 미 이용 에너지를 수확해 전력이라는 사용하기 쉬운 형태로 변환해 활용하기 위한 기술이 에너지 하베스팅이다

환경 중의 에너지라고 하면, 예를 들어 지진의 흔들림도 그중의 하나이다. 2011년 3월에 발생한 동일본 대지진의 진도(magnitude)는 9.0이었다. 그 지진에서 방출된 에너지 양은 약 2×1,018(200경) Joule이다. 좀더 익숙한 단위로 환산하면 5,500억kWh이다.

새로운 형태의 신재생 에너지인 에너지 하베스팅 기술이 최근 크게 각광을 받고 있다. 에너지 하베스팅 기술은 거대 용량의 전기를 발생시키기 위한 전통적인 수력, 화력, 풍력, 조력 발전 기술보다도 우리 주변에서 버려지는 에너지를 수확하여 우리가 쓸 수 있는 전기에너지로 변환하고 충전하여 이용하는 것이다.

기존 전자 기기 등의 에너지 효율을 크게 향상 시킬 수 있을 뿐만 아니라 궁극적으로는 추가적인 에너지 공급 없이 주변의 에너지를 이용하여 전자 기기를 독립적으로 (Stand-Alone) 구동 가능하도록 하는 기술이다.

에너지 하베스팅 기술은 태양광을 이용한 태양광 발전과 온도차에 의한 지벡 (Zeeback) 효과를 이용하여 전기 에너지를 얻는 열전 발전, 그리고 주변의 진동이나 충격 등의 운동 에너지로부터 전기 에너지를 얻는 압전 발전 등으로 나눌 수 있다.

특히, 압전체를 이용한 압전 에너지 하베스팅 기술은, 기존의 마그네틱을 이용한 수력, 화력, 풍력, 조력 발전보다 작은 진동이나 충격을 전기 에너지로 변환 하는데 용이할 뿐만 아니라 높은 에너지 변환 효율을 가질 수 있어 태양광이 없는 어두운 곳이나 밤에도 발전을 할 수 있는 이점을 가지고 있다.

따라서 항상 진동이 있거나, 압력이나 힘이 작용하는 곳, 그리고 물의 흐름이 있거나 바람이 부는 곳에서도 사용될 수 있을 것으로 예상된다. 이러한 압전 에너지 하베스팅 기술은 흔히 우리가 사용하는 가스라이터 및 가스레인지의 점화 장치에서 쉽게 접할 수 있다. 향후 모바일 기기의 전원 장치, 가로등이나 비상계단의 전원 발생기, 초소형 기기용의 마이크로 압전 발전기, 인공 장기 및 건강 진단 장치, 무선 센서를 이용한 사무실 원격 조정 시스템 및 구조물 진단 시스템 등 폭넓은 분야에 적용이 가능할 것으로 전망된다.

한국 체온 만으로 전기 만드는 기술 개발

한국기계연구원 나노역학연구실 한승우 박사팀이 열에너지를 전기에너지로 바꾸는 세계 최고수준의 박막 열전기술과 이를 이용한 초소형 열전발전소자를 개발했다.

개발된 열전 발전소자는 주위의 열을 모아 전력을 공급하는 여러 분야에 이용될 수 있다. 몸에 붙여 원격으로 건강상태를 측정하는 건강진단시스템(WHMS·Wearable Health Monitoring Systems)의 전원장치에 이용하면 사람 체온으로 전원을 공급할 수 있다.

또 지능형 플랜트, 스마트 빌딩, 수송기계 등에 있어서 고온, 고전압이거나 땅 밑, 지상 높은 곳 등 전지를 갈아끼우기 힘든 환경에서 쓰이는 모니터링시스템의 무선센서에도 주위 열을 이용한 전원을 공급할 수 있다.

연구진은 증착온도와 압력, 열처리조건 등의 공정조건을 최적화해 세계 최고수준의 열전박막효율을 달성했다. 지금까지 발표된 독일 마이크로펠트(Micropelt)사의 Bi-Te 박막(N-Type)과 Bi-Sb-Te 박막(P-Type)의 파워펙터(Power Factor, 교류전력의 효율에 해당하는 양)는 각각 3mW/K2m와 4mW/K2m였으나 새로 개발된 열전박막은 각각 3.07mW/K2m와 4.41mW/K2m의 파워펙터를 나타냈다.

열에서 전기가 생기는 에너지 변환원리를 거꾸로 이용하면 열 흐름이 일어나 국부적인 냉각에 이용할 수 있다.

이는 스마트폰, 테블릿PC, 마이크로 패키지 등 휴대용 전자제품이 최근 얇고 소형화되고 LED(발광다이오드) 조명 등이 보편화되면서 수요가 늘어난 국소냉각(Hot Spot Cooling)기술 등에 응용될 수 있다.

한승우 박사는 “활용분야가 무궁무진한 박막 열전기술은 효율이 낮아 산업분야에 적용되지 못했다”며 “소자설계, 박막소재, 소자공정, 측정평가 등 제품개발에 필요한 모든 요소기술을 포함하는 박막형 열전기술을 확보, 관련제품의 상용화를 앞당기는데 이바지할 것”이라고 밝혔다.

압전소자 개발에 나노기술도 한 몫

기계적 에너지를 하베스팅하는 나노제너레이터(Nanogenerators)도 세계적인 관심거리다. 이 기술은 전류를 생산하는 산화아연 나노와이어의 압전소자(Piezoelectric) 특성을 이용하는 것이다.

이 분야 전문가는 미국 조지아 공과대학의 Wang 교수다. 그는 2006년에 거의 측정되지 않던 출력 값으로 시작해 지금은 연결된 나노제너레이터 어레이가 30볼트의 출력 값을 생산해 냈다.

더욱 최근에, 그는 전자장치 내의 전하 이동을 제어하기 위해 기존의 상보성 금속 산화막 반도체(CMOS, Complementary Metaloxide Semiconductor) 기술의 대안이 되는 피에조트로닉스(Piezotronics)라고 알려진 기술인 나노 구조체의 압전기 특성을 이용했다. 또한, 그는 유기발광 다이오드(Light-Emitting Diodes)와 같은 장치 내의 전자광학적 프로세스를 제어하기 위한 기술을 의미하는 압전 전자학(Piezo-Phototronics)이라는 용어를 만들어냈다.

최근 몇년 동안, Wang 교수는 피에조트로닉 로직 게이트와 메모리 그리고 압전 전자(Piezo-Phototronics) 효과로 성능이 향상된 유기발광 다이오드를 포함한 새로운 형태의 전자장치를 개발했다. 또한, 그는 나노제너레이터와 광전변환 전지(Photovoltaic Cells)와 같은 다른 파워 하베스팅을 결합시키는 시스템을 만들었다.

왕 교수는 “우리가 이 연구를 시작했을 때, 우리는 그림이 아닌 하나의 점을 보았을 뿐이었다”며, “오늘날, 우리는 이러한 나노구조체로 가능한 커다란 그림을 보게 된 것”이라고 말해 에너지 하베스팅 기술의 전망을 밝게 했다.