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출처 :펜실베니아대 2016년 'JOURNAL Advanced Energy Materials'

달리는 자동차에서 발생하는 진동과 폐열로 달리는 '자동차', 체열로 배터리를 충전하는 '스마트폰' 등 에너지를 직접 공급받지 않고 자가발전으로 움직이는 장치들이 상용화될 날이 머지않았다. 버려진 자투리 에너지를 모아서 사용하는 기술인 '에너지 하베스팅'(energy harvesting)이 최근 급성장하고 있다.

8일 한국과학기술연구원(KIST)에 따르면 전자재료연구단 연구팀이 최근 자동차가 도로를 지나가면 전기가 생산되는 압전 발전장치를 개발했다.

자동차가 운행될 때 엔진의 열, 노면의 진동 등 버려지는 에너지가 많다. 연구팀은 이 중에서도 자동차 하중으로 전기를 생산할 수 있는 고분자량 화합물인 '폴리머 기반' 압전 발전장치를 개발했다. 가로와 세로 각각 30cm 면적에서 620.2 밀리와트(mW)의 전기를 생산할 수 있는 수준이다. 이는 해외 압전 발전장치보다 5.3배 높은 출력이다. KIST는 한∙미 특허출원과 등록도 마친 상태다.

이같은 에너지 하베스트 방식은 '압전방식'이라고 한다. 물리적으로 어떤 물질을 누를 때 양전하와 음전하가 나뉘는 '유전 분극'이 발생하고, 이때 표면 전하 밀도가 변해 전기가 흐르는 방식이다. 가장 많이 연구되고 있는 분야다.

포항공대 연구팀도 2017년 양파 껍질을 이용해 압전방식에 사용될 수 있는 '압전소재'를 개발했다. 연구팀은 양파의 '셀룰로오스 섬유질'의 정렬로 인한 결정성이 압전 효과를 낼 수 있다고 가정하고 실험을 진행했다. 그 결과 민감하고 내구성이 높은 압전소재를 개발했다.

이외에도 버려지는 열을 이용해 전기를 발생하는 '열전 방식'도 연구가 이뤄지고 있다. 기초과학연구원(IBS) 나노구조물리연구단은 2015년 비교적 제조방식이 간단하고 대량생산이 가능한 상온 열전소재를 개발하기도 했다. 한국과학기술원(KAIST) 전기 및 전자공학과 한 연구팀은 외부 기온이 체온과 약 17℃ 차이가 날 때 팔에 두른 밴드에서 전력을 생산할 수 있는 기술을 개발하기도 했다.

이외에 전자기파를 수집해 에너지로 바꾸는 '전자기유도 방식'과 금속과 같은 물질이 고에너지 전자기파를 흡수할 때 전자를 내보내는 현상인 '광전 방식'도 있다. 광전방식의 대표적인 사례는 '박막 태양전지'다.

최근 전기가 흐르는 도체 주변에 항상 생기는 자기장을 전기에너지로 변환하는 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다. 류정호 영남대 교수 연구팀은 미세한 자기장변화에 따라 늘어나거나 줄어드는 소재와 압력을 받았을 때 전압을 발생하는 소재를 이용해 에너지 변환 소자를 설계했다. 개발된 소자에서 실제 얻어지는 전력의 양은 3밀리와트 이상으로 사물인터넷 무선 센서를 배터리없이 구동할 수 있는 1mW를 넘는 수준이다. 이 연구 결과는 '에너지 및 환경과학'(Energy&Environmental Science) 4월호에 실렸다.

에너지 하베스팅 기술은 현재로선 친환경적일 뿐만 아니라 사물인터넷 등 무선기기를 사용하기 위해 필요한 기술로 인정받고 있다. 하지만 상용화를 위해서는 에너지 전환 효율과 경제성을 높여야 한다는 해결과제가 남아있다.

류정호 영남대 교수는 "에너지 하베스팅 기술은 사물인터넷 등 무선 센서 네트워크의 중요한 요소기술"이라면서 "개발한 기술은 앞으로 대량생산을 통한 제품가격 저감, 내구성, 신뢰성 검증 후 이르면 1~2년 내 상용화가 될 수 있을 것"이라고 전망했다.
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