열심히 걷기만 했을 뿐인데 에너지가 충전된다면 어떨까요?
미국 카네기 멜론 대학의 학생들이 개발한 자가 발전 에너지 깔창 ‘Sole Power’는 깔창 안쪽에 힘이 가해질때마다 발목에 연결된 충전식 배터리에 운동 전력이 저장됩니다.
신발에 ‘Sole Power’를 깔고 하루 4km 이상 걸으면 핸드폰이나 GPS 등을 하루 동안 사용할 수 있는 전기 에너지를 얻을 수 있습니다.
이처럼 단순한 압력으로 내가 사용할 에너지를 스스로 생산해낼 수 있는 기술, 지금 바로 만나볼까요?

[에너지 하베스팅이란]
쉽게 말해 별도의 에너지원을 사용하지 않고 일상생활에서 에너지를 생산해내는 기술을 말합니다.
실제로 에너지가 만들어지는 과정 속에서는 수많은 에너지가 열, 소리, 진동 형태로 버려지고 있는데요. ENERGY HARVESTING, 에너지를 수확한다는 의미를 가진 에너지 하베스팅은 일상생활에서 버려지거나 숨어 있는 에너지를 모아 전력으로 재활용하는 기술을 말합니다.
사람의 움직임, 물, 바람, 진동, 태양광선 등의 자연 에너지를 전기 에너지로 변환하는 것은 물론, 사람이나 진동, 실내 조명광, 자동차의 폐열, 방송 전파 등 주변에 버려지는 에너지를 전기 에너지로 변환시켜 사용할 수도 있습니다.

현재 에너지 하베스팅 기술 중에서 가장 많이 활용되고 있는 것은 압전* 에너지라고 하는데요.
압력을 받은 압전체의 형상이 변하면서 압전체 내에 전위차가 발생하면 전류가 발생하게 됩니다. 라이터에 부싯돌을 눌러 자극을 가해 불이 켜지는 것도 이와 같은 ‘정압전 효과’죠.
* 압전 (piezoelectricity): 기계적인 힘이 가해지면 소재 내부에 전기장이 걸려 전압을 생성할 수 있는 현상

[에너지 하베스팅 사례]
아이들이 신나게 뛰어노는 놀이터도 예외는 아닙니다.
어린이 놀이시설을 제작하는 회사 ‘플레이디앤에이’에서는 자가발전 놀이기구를 제작하는 데에 힘을 쏟고 있습니다.
단순해보이는 놀이기구에 아이들의 놀이 동작을 통해 전기 에너지가 만들어지는 방식을 활용하고 있는데요.
에나멜 코일과 자석이 내장되어 있어, 어린이들이 페달을 돌리면 운동에너지가 전기에너지로 변환이 됩니다. 추가적으로 조명이 나올 수 있는 애플리케이션도 장착을 할 수 있다고 해요.
만약 12명이 놀이기구를 탈 경우 시간당 1.2kw 전기가 발생하고, 이는 3개 교실에서 컴퓨터와 전등을 사용할 수 있는 양이라고 하니 정말 대단하죠?

네덜란드 로테르담에 위치한 클럽 바닥에는 에너지 발전기인 ‘에너지 플로어(Energy floors)’ 가 설치되어 있습니다. 화려한 조명과 흥겨운 음악 속에서 춤을 추면 진동에너지가 전기에너지로 변환되어 클럽에 전기를 공급하는 시스템이라고 해요.
이 외에도 박물관, 피트니스센터 등 다양한 분야에서 활용하기 위한 연구가 계속되고 있다고 합니다.

[전기 22배 더 생산하는 ‘메타 에너지 하베스팅’ 개발]
소리, 진동, 초음파 등 어디서든 발생하는 에너지를 활용한 기계적 에너지 하베스팅은 생산 전력량이 부족하다보니, 응용분야가 제한적이고 경제성 면에서 부족한 것이 현실입니다. 압전소자 등 변환 장치를 에너지가 발생하는 부분에 모두 설치해야 하기 때문에 비용, 실효성 측면에서 문제가 있을 수 밖에 없었는데요.

최근 KRISS 안전측정센터 연구팀에서는 고전방식에서 탈피해 버려지는 에너지를 처음부터 많이 모아 수확하는 방법에 관심을 두었습니다.
그 결과, 에너지를 최적으로 집속할 수 있는 메타물질, 음향양자결정*(Phononic Crystal)구조를 개발해 하베스팅에 접목시키게 되었습니다.
* 음향양자결정 (phononic crystals): 단위 격자가 주기성을 가지고 배열된 인공적인 구조로써, 메타물질의 한 종류.

이 메타물질은 여러 곳에서 압력으로 들어온 에너지를 한 곳으로 최대한 모으고, 더 이상 밖으로 새어나가지 못하게 막을 수 있습니다. 이러한 방식을 사용할 경우 기존보다 22배가 넘는 고효율의 전기를 생산할 수 있죠.

이대로만 된다면 4차 산업 혁명의 필수인 웨어러블 기기에도 접목할 수 있게됩니다.
그동안 IoT 센서는 주기적으로 배터리를 교체하거나 기상조건에 의존했지만, 메타 에너지 하베스팅 기술이 있다면 전기를 안정적으로 공급받아 영구적인 사용이 가능합니다.

특히 고층 빌딩, 교량과 같은 구조물은 접근이 어렵기 때문에 IoT 센서에 안정적인 전력 공급이 필수입니다. 전력이 부족할 경우 작동이 되지 않을 경우 큰 위험성을 가지고 있죠.
그러나 메타 에너지 하베스팅 기술로 구조물 자체에서 발생하는 에너지를 증폭시킨다면 지속적인 전기 공급이 가능하기 때문에 대형사고 예방 및 비용 절감 효과를 함께 누릴 수 있답니다.

실제로 2018년 4,360억 -> 2020년 5조원으로 매년 10.8%씩 성장하고 있는데요.
에너지 생산과 함께 우리 사회의 에너지 격차를 해소하는 데에도 큰 도움이 될 거라고 해요.
경제적으로 어려운 저소득층, 소외계층에 보다 효율적인 에너지를 공급할 수 있기 때문이죠.
또한 환경오염, 지구온난화 등을 해결할 수 있는 새로운 방법이 되지 않을까요?

 

내용 출처
한국표준과학연구원, 버려지는 에너지 모아주는 ‘돋보기 물질’ 나왔다
에코디자인, 자가 발전 디자인

이미지 출처
– 게티이미지뱅크(www.gettyimagesbank.com)