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에너지 하베스팅 이란?


 여러분이 걸어다니고, 무서운 영화를 보면서 소리를 지르고 휴대폰 진동이 울리는 지금 이 순간에도 에너지가 만들어지고 사라지고 있다는 것을 아시나요?
요즘 에너지 하베스팅(Energy Harvesting)’이 이슈가 되고 있습니다. 에너지 하베스팅은 그냥 무심코 버려지는 에너지를 수집해 전기로 바꿔 사용할 수 있게 만드는 기술입니다.




<에너지 하베스팅 종류>

 



 에너지 하베스팅은 크게 중력에너지, 광에너지, 위치에너지, 전자파에너지, 진동에너지 그리고 신체에너지로 구성되어 있습니다. 하지만 이렇게 모아진 에너지의 양은 발전소를 대체할 만큼 많은 양은 아니지만, 버려지는 에너지를 활용할 수 있다는데 그 의미가 있습니다. 특히 앞으로 더 많은 발전이 기대되는 웨어러블기기, 헬스케어기기 그리고 사물인터넷 등 소형 저전력 전자기기에 에너지 하베스팅이 그 역할을 톡톡히 할 것으로 전망되어 더 큰 관심을 받고 있습니다.

 




에너지 하베스팅의 3가지 원리


 현재 에너지 하베스팅 기술에 가장 많이 사용되는 소자는 광전효과, 압전효과, 열전효과 그리고 RF 기술 이렇게 총 4가지 물리 현상이 이용되고 있습니다. 그 중에서도 우리에게 익숙한 광전효과, 압전효과, 열전효과 가 무엇인지 간단하게 알아보도록 하겠습니다.



첫번째, 광전효과

 광전효과는 금속 등이 고에너지 전자기파를 흡수 할 때 전자를 내보내는 현상으로 아인슈타인이 이 현상을 빛의 입자성으로 설명해 노벨 물리학상을 받게 되었습니다.





<출처: http://navercast.naver.com/contents.nhn?rid=20&contents_id=87380>



두번째, 압전효과

 압전효과는 기계적인 압력을 가하면 전압이 발생하고, 전압을 가하면 기계적인 변형이 발생하게 되는 현상입니다. 주로 진동에너지, 중력에너지에 사용되고 있습니다.



세번째, 열전효과

 열전효과는 물체의 온도차를 전위차로 또는 그 전위차를 온도차로 직접 전환되는 현상으로, 서로 다른 두 금속이 만나는 지점을 전자들이 지날 때 운동에너지가 달라지면서 열의 변화에 의해 일어나는 효과를 열전효과라고 합니다. 신체에너지, 광에너지 그리고 열에너지에 주로 사용되고 있습니다.

<출처: http://navercast.naver.com/contents.nhn?rid=20&contents_id=87380>





에너지 하베스팅 종류

 에너지 하베스팅의 종류도 매우 많은데요, 이 중에서 많은 발전이 이루어지고 있고, 일상생활에서 쉽게 느낄 수 있는 신체에너지, 진동에너지 그리고 전자기파 에너지에 대해서 자세히 살펴보도록 하겠습니다.

 


신체에너지

 신체에너지는 신체에서 발생하는 체온, 정전기, 운동에너지 등을 이용하는 방법입니다. 사람의 체온은 훌륭한 열에너지인데요, 운동을 하거나 외부환경의 변화에 의해서 사람의 몸에서 열에너지가 방출되는 양이 평소에는 120W, 격한 운동을 할 땐 무려 700W가 발생한다고 합니다. 실제로 스마트폰을 한 번 충전하는데 3W 미만의 에너지가 필요하다고 하니 우리몸에서 정말 많은 양의 열에너지가 방출되고 있는 것입니다!



<출처: http://biz.chosun.com/site/data/html_dir/2013/09/26/2013092602513.html?Dep0=twitter

      http://www.zdnet.co.kr/news/news_view.asp?artice_id=20140121065918&type=det




 실제 보다폰은 영국의 한 록페스티벌에서 파워 포켓핫팬츠를 선보였습니다. 록페스티벌에서 춤을 출 때마다 핫팬츠에서 전기가 만들어져 휴대폰을 충전하게 되고 이렇게 충전한 전기는 무려 스마트폰을 4시간 이상이나 충전 가능 할 정도의 양이라고 합니다.

또한 미국 일리노이대, 애리조나대 연구팀이 신체장기 내부의 움직임으로 가동되는 초미세 발전기를 개발하였다고 합니다. 이 기기는 나노리본으로 불리는데요, 발전기에 배터리를 사용하지 않고도 소형 의료기기의 전력을 공급받을 수 있다고 합니다. 이제 앞으로는 심장박동조절기 등 신체에 이식되는 의료기기에 배터리를 사용할 필요가 없게 될 전망입니다!

 


진동에너지 하베스팅

 진동에너지는 충격에너지라고도 불립니다. 이 에너지는 대형회전전기나 구조물의 진동, 충격 에너지를 압전에너지 기술을 응용하여 전기에너지로 변환하게 합니다. 보통 일반 인들이 자전거를 타면 하루동안 2kwh의 전기를 생산 할 수 있다고 합니다. 성인 1명이 걸음을 내딛으면 충격에너지가 60W 정도로 전구하나를 순간적으로 반짝 켤 정도의 매우 작은 양이지만 압전에너지 기술이 빠르게 발전하고 있고, 응용할 수 있는 범위도 매우 다양해서 앞으로 전망이 더욱 밝다고 할 수 있습니다.







전자기파 에너지

우리 주위에는 방송전파, 휴대전화 전파 등 수많은 전자파 에너지가 버려지고 있습니다. 전자기파 에너지 하베스팅은 이들을 수확하여 재활용 하는 것입니다. 최근 전자기파 에너지를 활용 하는 기술 중 WiFi Backscatter라는 기술이 있습니다. 이것은 워싱턴 대학에서 개발한 것으로 WiFi 전파 신호를 이용해서 에너지로 이용하는 기술입니다.

 

 

 영국의 시장조사기관인 아이디테크엑스(IDTechEx)에 따르면, 전세계 에너지 하베스팅 시장규모가 2020년에 437000만 달러 (한화 약 427284억 원)에 달할 것으로 예상했습니다. 아직 시작 단계에 불과한 에너지 하베스팅 이지만, 앞으로 더 많은 기술의 발전을 통해 상용화와 보급화 문제를 해결하고 응용분야를 넓혀간다면 우리에게 꼭 필요한 미래 기술이 되지 않을까 생각합니다. 더 이상 보조 베터리를 들고 다니지 않는 우리의 모습이 가까운 미래 일상의 모습이 될 것 같습니다.








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