(서울=뉴스1) 김승준 기자 = 에너지 하베스팅은 열, 빛, 진동, 전자기파 등 주변에서 쉽게 버려지는 에너지를 전기로 전환하는 기술이다.
특히 사물인터넷을 이용한 스마트 건물이나 도시 건설의 주요 기술로 손꼽히고 있다. 단적으로 스마트 건물을 구축하기 위한 각종 센서에는 당연히 전원이 필요한데, 이를 모두 전원선으로 연결하기에는 설계가 복잡해지고, 비용이 증가한다는 단점이 있다. 센서에서 자체적으로 에너지를 생산할 수 있다면 이러한 문제를 일부 해소할 수 있다. 또 센서에 배터리를 설치한다고 하더라도 에너지 하베스팅 장치를 보조전원 등으로 사용하면 배터리 관리 비용을 줄일 수 있다.
에너지 하베스팅은 △광전소자 △압전소자 △열전소자 등이 있다.
우선 광전소자는 알베르트 아인슈타인에게 노벨상을 안겨준 '광전효과'의 원리를 이용한다. 금속 등의 물질이 특정 진동수 이상의 전자기파를 흡수했을 때 전자를 내보내는 현상이다. 간단히 말해 어느 정도 강한 빛을 금속에 쬐어주면 전류가 흐른다는 것이다. 아인슈타인은 파동으로는 설명하기 어려운 광전효과를 빛이 입자를 가정해 설명한 기여로 노벨상을 수상했다.
광전소자는 가장 대표적인 에너지 하베스팅 기술로, 아예 '태양광 발전'으로 재생에너지의 한 축을 차지하고 있다. 흔히 볼 수 있는 패널형 발전기의 효율을 높이는 것뿐 아니라, 창문에 붙일 수 있는 필름형 태양전지도 활발한 연구가 이뤄지고 있다.
압전소자와 진동변환 소자는 모두 기계적 에너지를 전기에너지로 전환하는 기능을 가지고 있다. 압전소자는 대부분의 물질은 양의 전하량과 음의 전하량이 같아 중성을 띈다. 하지만 원자 단위에서는 일부분이 양 전하를 띄고 일부는 음전하를 띄는 전기쌍극자가 형성되어 있는 경우가 있다. 그런데 일부 물질에 압력을 가해주면 전기쌍극자의 배열이 달라지며 원래 중성이었던 물질에 전압이 발생한다.
일상에서 가장 자주 볼 수 있는 것은 라이터에 쓰이는 버튼식 전기 점화 플러그다. 버튼을 누르거나 핸들을 돌리면서 발생하는 기계적인 압력에서 발생하는 전기를 이용해 스파크를 일으켜, 연료에 불을 붙이는 역할을 한다. 사람들이 자주 걸어 다니는 출입구나 계단 등에 압전 소자를 설치해 에너지를 수확하려는 시도도 이뤄지고 있다.
열전소자는 말 그대로 온도 차이를 이용해 전기를 발생시키는 장치다. 열전 소자는 주로 1821년 독일의 제베크(Seebeck)에 의해 발견된 제베크 효과를 이용한다. 제베크 효과는 두 종류의 금속(또는 일부 반도체)을 폐회로로 만들고, 두 금속이 만나는 지점을 다른 온도로 유지하면 회로에 전류가 흐르는 현상이다.
이외에도 △전자기파 △자성유체 △마찰 등을 이용한 에너지 하베스팅 기술이 연구 중이다.
여러 에너지 하베스팅 기술을 융합시켜 재생에너지 생산 효율을 높이려는 시도도 있다. 지난 6일 스탠퍼드 대학 연구원들은 국제 학술지 '응용 물리학 서신'(Applied Physics Letters)에 태양광 발전기와 열전 소자를 결합한 장치를 소개했다.
이 태양 전지는 낮에는 일반 태양광 발전기처럼 작동하지만, 복사 냉각을 활용해 전기를 생산한다.
대부분의 물체에서는 전자기파의 형태로 에너지를 잃는 '복사' 현상이 일어난다. 나가는 복사에너지가 많아지면, 물체가 차가워지는 '복사 냉각' 현상을 볼 수 있다.
해진 뒤, 땅이 식어가는 것은 일상에서 가장 쉽게 볼 수 있는 복사냉각 현상이다. 땅은 복사냉각이 활발히 일어나지만, 공기는 상대적으로 적게 일어나 온도 차가 쉽게 생긴다. 스탠퍼드 연구진은 자연스레 만들어지는 온도 차이를 이용해 열전소자로 전기를 생산하도록 설계했다.
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