[첨단 헬로티]
에너지전환기다. 전 세계적으로 기존 화석 연료에서 신재생에너지로 전환하는 노력이 계속되고 있다. 에너지전환이 이뤄지면서 주목받기 시작한 기술이 있다. 바로 에너지 하베스팅(Energy Harvesting)이다. 에너지 하베스팅은 버려지는 에너지를 수집해 전기로 바꿔주는 기술이다. 사람의 열에너지나 조명의 빛에너지, 자동차나 비행기가 움직일 때 발생하는 진동 등을 모두 에너지로 바꿔줄 수 있다. 영국의 시장조사기관인 아이디테크엑스(IDTechEx)는 오는 2020년 세계 에너지 하베스팅 시장규모를 약 43억 7,000만 달러(한화 약 4조 7,294억 원)로 전망했다.
<사진 : 게티이미지뱅크>
버려지는 에너지, 다시 쓰자!
스마트폰 없이 살 수 없는 세상이 됐다. 전화도, 문자도, 사진도, 인터넷도, 게임도, 영화 시청도 모두 스마트폰으로 하는 시대가 됐다.
지하철이나 버스를 탔을 때 대부분 사람이 스마트폰을 보고 있고, 주변만 보아도 스마트폰 없이 못 사는 사람들을 쉽게 찾아볼 수 있다.
그런데 문제가 있다. 배터리다. 과거에는 여분용 배터리가 있어 교체하면 됐지만, 지금은 스마트폰에 장착된 배터리가 한 개라 교체도 힘들다. 그렇다고 배터리가 넉넉한 것은 아니다. 완충된 배터리더라도 하루를 넘기기 힘들다. 물론, 휴대용 배터리 충전기가 있지만, 짐이 되고 번거롭기 짝이 없다.
하지만 머지않아 배터리 여분을 걱정하지 않아도 되는 시대가 도래할 것으로 보인다. 에너지 하베스팅 기술 덕분이다. 에너지 하베스팅은 일상적으로 버려지거나 사용하지 않은 작은 에너지를 수확해 사용 가능한 전기 에너지로 변환해주는 기술이다. 자연에서 직접 전기 에너지를 획득할 수 있기 때문에 에너지 공급이 안정적이고, 환경공해도 줄일 수 있다.
에너지 하베스팅 기술이 발달하면 사람에게 발생하는 체온과, 정전기, 운동에너지를 통해 스마트폰을 충전할 수 있다.
사람의 체온을 예로 들었을 때, 사람은 체온 36.5℃를 유지하기 위해 열을 발생시킨다. 주변 온도가 사람의 체온보다 낮다면 사람은 열을 방출하게 된다.
일반적으로 잘 때는 75W. 깨어있을 때는 120W, 가벼운 일을 할 때 190W. 어려운 일이나 움직임이 심한 운동을 할 때는 700W의 열을 방출한다. 그렇다면, 스마트폰을 한 번 충전할 때 필요한 에너지는 얼마나 될까? 불과 2.5W에 불과하다. 운동할 때 발생하는 열을 1%만 전기로 바꿀 수 있어도 스마트폰 두 대 이상을 충전할 수 있는 셈이다.
기대되는 친환경 기술, ‘에너지 하베스팅’이란 무엇인가?
에너지 하베스팅은 압전 소자로 인해 나타난다. 이 소자는 압전기 현상을 나타내는 소자로, 외부로부터 힘이 작용하면 전기 분극을 일으키는 현상을 이용한다. 만약, 신발에 압전 소자가 있다면, 걷는 것만으로 전기에너지를 저장할 수 있는 것이다.
이러한 에너지 하베스팅은 크게 ▲신체 에너지 ▲진동 에너지 ▲광 에너지 ▲중력 에너지 ▲위치 에너지 ▲전자파 에너지로 나뉜다.
<사진 : 게티이미지뱅크>
신체 에너지 하베스팅은 신체의 움직임을 통해 발생하는 체온과 정전기, 운동에너지를 이용하는 방법이다. 체온뿐만 아니라 사람의 움직임 등을 통해 에너지를 생산할 수 있다. 이 방법을 이용해 조지아공학대학 연구진은 옷감 표면에 압전소자 돌기를 만들어 움직일 때마다 전기를 발생시키는 티셔츠를 선보였고, 플로리다대학의 헨리 소다노 교수는 끈이 위 아래로 움직일 때의 압력으로 전기를 생산하는 배낭끈을 개발하기도 했다.
지금은 신체에너지를 이용한 군 웨어러블 기기가 한창 개발 중이다. 미국 바이오닉파워 회사는 사람 다리에서 에너지를 생산하는 ‘파워워크엠(PowerWalk M)’이라는 기기를 개발하고 있고, 미국 MIT와 방위고등연구계획국(DARPA)은 0.9~3mW 발전이 가능한 전투화 시제품을 내놓기도 했다.
진동 에너지 하베스팅은 진동이나 압력을 가해 압전 소자를 발전시키는 방법이다. 특히 이 진동 에너지 하베스팅은 효율이 높고, 작은 기기에 적용하기 쉬워 꾸준히 개발이 진행되고 있다.
일본의 음력발전사는 2006년, 사람이나 자동차, 자전거 등이 지나갈 때 나오는 진동에너지를 전기로 바꾸는 보도블록 ‘발전마루’를 개발했다. 가로 세로 50cm 크기의 보도블록인 발전마루는 하루 최대 200kW 전력을 생산했다.
광 에너지 하베스팅은 빛으로 발생한 에너지를 전력으로 변환하는 방식이다. 주로 태양광 에너지에서 많이 사용된다.
중력 에너지 하베스팅은 무게를 이용한다. 도로의 과속 방지턱이나 횡단보도 일시정지선 등 정차 구간에 공기 압력 펌프를 설치하여 차량의 중량을 이용해 공기를 압축시킨 후 압축 공기 발전을 하는 방법이다.
위치 에너지 하베스팅은 물질이 위에서 아래로 떨어질 때 발생하는 에너지를 이용한다. 보통 수력발전소 방수구나 화력발전소 냉각수 방수로에서 발생하는 에너지를 소형 수차를 이용하여 회수하고 있다.
끝으로 전자파 에너지 하베스팅은 가전제품이나 방송기기, 휴대전화 등에서 발생하는 전기 에너지를 이용한다. 이 기술을 이용해 전선 주변에 생기는 전자기 유도 현상을 이용하거나 와이파이의 전파에너지를 모으는 등의 기술이 개발되고 있다.
