버려지는 에너지를 재활용하다
버려지는 에너지를 재활용하다
  • 손보승 기자
  • 승인 2016.12.02 00:22
  • 댓글 0
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[이슈메이커=손보승 기자]

 

 

 

버려지는 에너지를 재활용하다

에너지난 속 새로운 해결책에 주목

 

 

투입한 에너지 대비 얼마나 많은 일을 하는지를 표시한 에너지 효율은, 그동안 기술의 발달로 계속해서 높아졌다. 그럼에도 100% 효율의 기계를 만드는 것은 물리적으로 불가능하다. 때문에 버려지는 에너지는 필연적으로 존재할 수 밖에 없다. 이와 같은 에너지를 모아서 사용하기 위한 생각에서 출발한 것이 에너지 하베스팅 기술이다. 이처럼 숨은 에너지를 새로운 용도로 활용하기 위한 기술로 에너지 하베스팅이 주목받고 있다.

 

 

미래 사회 유망기술로 각광

에너지 하베스팅이란 일상적으로 버려지거나 사용하지 않는 작은 에너지를 수확해 사용 가능한 전기 에너지로 변환해주는 기술을 말한다. 태양광, 진동, 열, 풍력 등과 같이 자연적인 에너지원으로부터 발생하는 에너지를 전기에너지로 전환시켜 ‘수확’한다는 개념이다. 나노 기술을 활용해 버려지는 에너지를 수확한 뒤 전기에너지로 바꿔 재활용하는 과정을 거치는 등 사소한 에너지원을 통해 전력을 얻게 되면 보다 효과적인 에너지 생산이 가능해진다.
 

  지난해 한국과학기술기획평가원(KISTEP)은 미래 우리 사회의 불평등 해소에 기여할 수 있는 10대 유망기술 중 하나로 나노 소재를 활용한 에너지 하베스팅 기술을 선정할 만큼 미래 신산업 분야로 주목받고 있다. 이러한 에너지 하베스팅은 1954년 미국 벨 연구소가 태양전지 기술을 공개할 때 처음 등장한 개념이다. 현재 많은 방면으로 발전이 이뤄져, 태양광을 이용한 ‘태양광발전’과 온도차를 이용해 전기 에너지를 얻는 ‘열전효과’을 비롯해, 주변의 진동이나 충격 등 운동 에너지로부터 전기 에너지를 얻는 ‘압전효과’ 등 다양한 물리 현상을 이용한 기술을 활용할 수 있다. 자연에서 직접 전기 에너지를 수집할 수 있기 때문에 친환경적이기도 하다.
 

  전남대학교 전기공학과 배영철 교수는 “에너지 하베스팅 기술은 자체 에너지를 이용해 전원을 공급하기 때문에 친환경적이다”라며 “에너지 하베스팅의 궁극적인 목표는 배터리를 대체하는 것으로 다른 산업군과 융합도 용이해 신재생에너지의 다른 패러다임을 구축할 것이다”라고 덧붙였다.

 

사물인터넷(IoT)과 만나 탄력

최근 사물인터넷(IoT) 시대의 도래로 인해 웨어러블 디바이스가 활성화되면서 에너지 하베스팅 기술은 더욱 각광받고 있다. 각종 센서 사용량이 급증하며 외부로부터 전원을 공급받기 어려운 곳에서 센서를 작동하기 위해서는 자가발전이 필수이기 때문이다. 단말기는 복잡한 기능을 실행하며 더 많은 전력을 필요로 하는데 비해, 배터리 용량은 크기와 직결되기 때문에 한계가 있을 수 밖에 없다. 뿐만 아니라, 배터리를 주기적으로 충전해야 한다는 단점도 있다. 하지만 해당 분야에 에너지 하베스팅을 적용하면 배터리를 교체하거나 유선으로 연결하지 않아도 된다. 이를테면 걸으면서 생겨나는 발이 땅을 누를때의 압력으로 에너지를 생산하여 휴대폰을 충전하는 것이 가능하다. 실제 지난해 미국 소셜 펀딩 사이트 킥스타터에 휴대하면서 움직일 때 에너지를 저장했다가 필요할 때 전자기기에 연결해 충전할 수 있는 휴대용 배터리 ‘앰피(AMPY)’가 등장해 눈길을 끌었다. 
 

  이처럼 웨어러블 시장에서 에너지 하베스팅 기술은 웨어러블 디바이스의 보조전원은 물론, 열전, 압전, 광전 기술을 복합적으로 적용하면 주전원으로도 활용이 가능하다. 국제가전박람회(CES) 2015에서 스마트기기 회사 ‘미스핏’은 쥬얼리 브랜드 ‘스와로브스키’와 함께 운동과 수면 측정 기능을 지닌 ‘바이올렛 스와로브스키 샤인’을 전시했다. 빛을 받으면 충전이 가능한 제품이기에 별도의 배터리 교체가 필요없다.
 

  에너지하베스팅 전문기업의 한 관계자는 “무선 자가발전이 필요한 사물인터넷 시장에서 에너지 하베스팅을 통한 저전력 운영기술은 이제 필수적인 시대적 요구기술이 되고 있다” 며 “해당 기술을 통해 다양한 제품의 출시와 전력시장 구조의 변화가 일어날 것이다”고 전망했다.

 

 기술적 한계 극복이 향후 과제

에너지 하베스팅을 시장에서 적용할 수 있는 범위는 무궁무진하다. 자동차 산업에서는 스마트카 구현 과정에서 배선을 줄이고 연료와 전기 사용을 절감시킬 수 있고, 군수 산업에서도 평시에서 각종 장비를 충전할 수 있는 군복을 통해 전원을 공급받기 힘든 전시에 이를 활용할 수 있는 방법으로 주목하고 있다. 의료 분야에서는 나노발전기가 몸속에서 혈류, 혈압, 혈당을 측정하는 나노센서 같은 나노장치에 결합할 수 있는 가능성을 엿보고 있다. 이에 더해 인공심장, 심장 박동기 등 인체에 적용하거나 구조물 진단용 센서 전원 등에서도 응용 가능성이 높다.
 

  영국 시장 조사 기관 아이디테크엑스(IDTechEx)는 전세계 에너지 하베스팅 시장규모를 2012년 7억 630만 달러에서 오는 2022년 52억 8,070만달러로 커질 것이라 전망하기도 했다. 이러한 흐름에 맞춰 국내에서도 관련된 연구가 활발히 진행 중이다. 한국기계원구원은 압전 하베스팅을 이용한 무전원 인공기저막을 개발했고, 극소량 전력을 얻는 마이크로 에너지 하베스팅 관련 특허 출원이 증가하는 추세다.
 

  하지만 여전히 에너지 하베스팅은 기존 배터리에 비하면 내구성과 출력 성능이 한참 못 미친다는 단점이 있다. 열전소자의 경우 열전 성능 지수가 큰 나노소재 개발, 압전소자의 경우 고분자 압전재료, 복합소재 개발 등으로 해법을 모색하고 있다. 그렇지만 전문가들은 환경 보전과 경제성장 동력 유지를 위해서라도 연구와 투자는 지속적으로 늘어날 것이라 전망했다. 
 

  한국폴리텍대학 울산캠퍼스 자동화시스템과 정용섭 교수는 “오늘날의 공해 문제와 온실가스 감소를 위해 관련 산업 및 인력양성이 시급하다”고 말했다. 이는 결국 기술적 한계의 극복이 이어진다면 차세대 동력으로서 에너지 하베스팅의 발전은 필연적으로 따라올 것으로 예상된다는 것이다. 이처럼 다양한 기술 대안이 등장하고, 기업들의 참여가 활발해지면서 에너지 하베스팅은 신산업 동력으로 자리를 잡아가고 있다. 향후 다양한 분야로 확산되어 인류의 에너지 문제 해결에 기여할 것이라는 기대 속에 지구촌의 시선이 모아지고 있다. 


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