세라믹기술원·성균관대, 에너지 소자 개발
에너지 하베스팅(Energy Harvesting) 산업 발판 마련
[에너지단열경제]안조영 기자
한국세라믹기술원 조성범 박사·성균관대 방창현 교수 연구팀이 마찰전기의 효율을 크게 높일 수 있는 에너지 소자를 개발했다고 한국연구재단은 지난 13일 밝혔다.
이번 연구 결과는 국제 학술지 '어드밴스드 머티리얼즈'(Advanced Materials) 지난 13일 자에 표지논문으로 실렸다.
연구팀은 모든 방향의 움직임으로부터 에너지를 수확할 수 있는 머리카락을 닮은 나노미터(㎚·10억분의 1ｍ) 굵기의 구조체를 고안했다.
나노구조물을 기존 마찰전기 소자 위에 부착하는 방식을 제안했다.
머리카락 모양의 작은 구조물이 마치 기차 선로전환기 역할을 함으로써 모든 방향의 움직임으로부터 에너지를 수확할 수 있도록 한 것이다.
수직 방향 움직임 뿐만 아니라 수평 방향 움직임도 진동으로 바꿔 감지할 수 있도록 했다.
이렇게 만든 소자를 옷감에 붙이자 구겨진 지폐를 펴는데 필요한 힘의 5분의 1 정도에 불과한 0.2Pa(파스칼) 이하의 아주 적은 수평 방향의 힘에도 반응하는 것이 확인됐다.
또 옷깃이 흔들릴 정도의 작은 바람에도 마찰 전기가 발생했다.
머리카락이 물체와의 직접적인 접촉 없이 바람과 같은 비 접촉성 움직임에도 진동으로 마찰 전기를 유도하는 원리를 모사했다고 연구팀은 설명했다.
연구팀은 나아가 머리카락 모양 구조의 비밀도 알아냈다.
연구팀에 따르면 머리카락 모양의 구조체에 형성되는 반복적인 응력분포의 집중-분산 때문에 수평 방향의 힘이 수직 방향으로 변환될 수 있었다.
최근 체열로 충전하는 스마트 워치, 차량 진동으로 충전하는 스마트폰처럼 진동이나 열, 바람 등 일상생활에서 버려지는 자투리 에너지를 수확해 전원으로 활용하는 '에너지 하베스팅'(Energy Harvesting) 산업에 대한 관심이 커지고 있다.
특히 저전력이 요구되는 사물인터넷(IoT)과 웨어러블 헬스케어 분야에서 저전력 전자기기는 핵심 기술이라 할 수 있다.
물체의 접촉에서 생기는 마찰전기를 이용하는 나노발전기 역시 접근성과 효율성 면에서 주목받고 있다.
다만 두 물체의 접촉을 유도할 수 있는 특정 방향(접촉면의 수직 방향) 움직임에만 반응해 효율을 높이는데 한계가 있었다.
더구나 수평 방향이나 회전하는 움직임을 이용하려면 소자 자체의 구조를 바꿔야 했고 이 경우, 가장 효율이 높은 수직 방향 움직임에서 나오는 에너지는 포기할수 밖에 없었다.
이번 연구는 초소형 사물인터넷 기기와 생체 삽입형 소자에 전원을 공급하는 기기의 상용화 에 기여할 것으로 전망되고 있다.
<에너지 하베스팅(energy harvesting)>
자투리 에너지를 수확 전원으로 활용
태양광, 진동, 열, 풍력 등과 같이 자연적인 에너지원으로부터 발생하는 에너지를 전기 에너지로 전환시켜 수확하는 기술을 말한다.
일상적으로 버려지거나 사용하지 않은 작은 에너지를 수확하여 사용 가능한 전기 에너지로 변환해주는 기술로, 신재생 에너지 원천 기술로 각광 받고 있다.
에너지 하베스팅 기술의 구성은 발생된 에너지를 변환 수집하는 부분과 에너지를 축적하는 부분으로 구성된다.
자연에서 직접 전기 에너지를 획득할 수 있기 때문에 에너지 공급의 안정성, 보안성 및 지속 가능성을 유지할 수 있고, 환경공해를 줄일 수 있는 친환경 에너지 활용 기술로 각광받고 있다.
에너지 하베스팅은 에너지를 얻기 위해 사용되는 방법 및 소자에 따라 다양하게 구분된다.
에너지를 얻기 위해 사용되는 방법에는 크게 태양광(Photovoltaic) 발전, 압전(Piezoelectric) 발전, 전자기(Electromagnetic) 발전, 열전(Thermoelectric) 발전 등이 있다.
이들은 광전효과, 압전효과, 유도현상, 열전효과를 이용해서 전기를 생산하게 된다.
광전효과는 금속 등의 물질이 고유의 특정 파장보다 짧은 파장을 가진 전자기파를 흡수했을 때 전자를 내보내는 현상이다.
어떤 물질 내의 전자는 일함수(work function) 이상의 광자 에너지를 흡수하면 전자를 방출하게 되는데, 높은 에너지를 갖는 파장이 짧은 에너지를 받게 되면 그 물질 내의 전자가 방출되며 에너지를 생성하게 된다.
압전효과란 압전 소재를 매개로 기계적 에너지와 전기적 에너지가 상호 변환되는 현상을 말한다.
압전 특성이 있는 물질에 압력이나 진동을 가하면 전기가 생기고, 반대로 전기를 가하면 진동이 생기는 현상이다.
이러한 원리를 이용해서 전기를 발생시키는 것을 압전효과에 의한 에너지 하베스팅이라 한다.
압전 소재로 많이 사용되는 것은 납, 질콘 티타늄으로 만든 PZT라는 무기화합물이다.
그러나 최근 환경 문제에 대한 규제가 늘어남에 따라 납을 사용하지 않는 압전 소재나 폴리머 계열 소자에 대한 개발이 활발히 진행되고 있다.
가스레인지나 라이터에서 압력을 가하면 전기 스파크를 발생시키는 장치가 압전효과를 이용하는 대표적인 장치에 해당한다.
이와 반대로 압전 스피커는 전기 신호를 박막의 떨림으로 바꿔주는 장치다.
열전효과는 물체의 온도 차를 전위차로 혹은 전위차를 온도 차로 직접 전환되는 현상을 말한다.
온도가 높은 물체의 전자들은 온도가 낮은 물체의 전자들보다 더 높은 운동에너지를 갖게 되며, 두 물체가 연결되는 경우 고온부의 전자들이 저온부로 퍼지며 전위차가 발생하는 현상을 이용하여 전기를 발생시키게 된다.
열전효과를 이용하면 우리 몸의 체온을 이용해서 전기를 생산하는 것도 가능해진다.
피부에 부착된 부분과 공기 부분의 온도 차를 이용해서 전기를 발전시킬 수 있기 때문이다.
실생활에서 쉽게 접근하는 에너지 하베스팅은 신체의 움직임을 통해 발생하는 체온, 정전기, 운동에너지 등을 이용하는 방법이 대표적이다.
또 산업 현장에서 발생하는 수많은 폐열을 이용하는 열 에너지 하베스팅, 방송전파나 휴대전화 전파 등의 전자파 에너지를 이용하는 전자파 에너지 하베스팅이 있다.
도로의 과속 방지턱, 횡단보도 일시정지선 등에 공기 압력 펌프를 설치하여 차량의 중량을 이용해 공기를 압축시킨 후 압축 공기 발전을 하는 중력 에너지 하베스팅과 수력발전소의 방수구 및 화력발전소 냉각수 방수로에서 발생하는 위치에너지 차이를 이용하는 위치 에너지 하베스팅 등 실생활에서 다양하게 접근할 수 있다./안조영 기자
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