버려지던 폐열, 그 화려한 변신!

버려지던 폐열, 그 화려한 변신!

 

18기 최별

 

 4차 산업혁명이 도래됨에 따라 지금의 IOT산업이 주목받게 되면서 ‘에너지 하베스팅 시스템’이 연구의 화두에 오르게 되었다. 이름만으로는 쉽사리 짐작되지 않는 용어, 에너지 하베스팅. 이는 과연 무엇일까?

  에너지 하베스팅이란 버려지는 에너지를 수확해서 사용한다는 의미로 1954년 벨 연구소에서 태양전지 기술을 발표하면서 처음 제시되었다. 이전까지 자연에서 발생하는 에너지는 전기 에너지로 변환되지 못해 생산적으로 사용할 수 없었고 따라서 많은 에너지가 당연하게 버려지고 낭비되어야 했다. 그 때문에 이러한 태양전지 기술은 주변에서 쉽게 볼 수 있는 에너지를 전기에너지로 변환해 생산성을 가지는 형태로 전환할 수 있다는 점에서 새로운 개념을 제시할 수 있었으며 이를 통해 에너지 하베스팅이라는 분야가 새롭게 등장할 수 있었다. 다시 말해 에너지 하베스팅은 주변에서 쉽게 볼 수 있는 에너지(특히, 생산성이 없다고 평가되어 버려지던 에너지)를 생산적인 형태의 에너지, 즉 전기 에너지로 만들어 주는 과정이자 기술이다.

  이러한 에너지 하베스팅은 크게 수집, 조정, 저장의 3단계를 가지는데 수집 단계는 폐열, 자연 에너지처럼 주변에서 쉽게 볼 수 있는 에너지를 이용해 전기 에너지로 만들어주는 과정을 의미한다. 이후 여러 전자 소자를 사용하여 만들어진 전기 에너지의 전압을 조절해주는 과정이 조정 단계이며, 마지막으로 커패시터를 이용하여 필요한 상황에서만 전력을 사용할 수 있도록 에너지를 저장하는 과정을 거치는데 이를 저장 단계라고 일컫는다.

  위와 같은 개념만으로는 이 기술의 중요성과 영향력이 모두 와닿기 힘들겠지만, 에너지 하베스팅 기술은 사실 그 무엇보다도 IOT 기술에서 꼭 필요한 시스템이다. IOT의 기술은 다양한 장소와 위치에 여러 센서를 설치하고 이를 작동시켜야 하므로 그 각각의 센서 모두에 단순히 배터리를 사용하여 구동시킬 경우 배터리 구매 및 사용 비용, 배터리 교체 인력 등 많은 소비가 필요해지며, 따라서 경제적 효율이 기하급수적으로 낮아지게 된다. 그러나 이를 해결할 방안이 바로 에너지 하베스팅 시스템이다. 특히 IOT는 각 센서가 작은 변화를 인지하고 소량의 정보만 전달하는 경우가 대부분이기에 어느 곳에서나 설치될 수 있고 작은 전력만으로도 작동될 수 있다는 점이 더 중요하다. 따라서 큰 전력을 생산하지 못하더라도 주변에서 쉽게 얻을 수 있는 에너지라는 점에서 에너지 하베스팅은 다른 어떠한 기술들보다 IOT산업에 큰 의의가 있다.

 

에너지 하베스팅, 지금까지 어떻게 사용되었을까?

  최근 들어 에너지 하베스팅 시스템이 더더욱 주목받고 있지만 그렇다고 이전까지는 에너지 하베스팅 시스템을 연구하지 않았거나 상용화하지 않았던 것은 아니다. 실제로 폐열을 수집하여 에너지를 생산해내는 열전 에너지 하베스팅의 경우, 다양한 제품들이 이미 시중에도 자리하고 있다.

  첫 번째로는 많은 폐열 중 신체 온도, 즉 체온을 통해 전기 에너지를 얻는 것을 바탕으로 제품을 작동시키게 하는 경우가 있다. 일본의 시티즌 사에서는 열전 에너지 하베스팅이 가능한 열전소자를 사용하여 배터리나 태엽 없이 구동되는 시계를 제작하여 판매하고 있다. 이외에도, 오렌지 사에서 출시한 오렌지 파워 부츠는 발의 열에너지로 전기를 생산한 뒤, 이를 발뒤꿈치에 있는 저장 장치에 저장하여 핸드폰을 충전할 수 있는 시스템을 가지고 있다. 약 12시간 동안 부츠를 사용하면 대략 1시간 정도 핸드폰을 사용할 수 있는 전력을 생산할 수 있다고 한다.

[ 자료 1  오렌지 파워 부츠 ]

출처: hljxinwen 뉴스

 두 번째로는 자동차 또는 우주선을 작동하는데 낭비되는 폐열을 이용한 경우가 있다. 대표적으로 자동차의 경우 가솔린 엔진은 전체 에너지 중 38%, 디젤 엔진은 전체 에너지 중 43%만이 운행에 사용되며 나머지는 열에너지로 낭비되고 있다. 이런 낭비를 줄이기 위해서 BMW, 포드 등의 자동차 업체들은 열전 발전 기술을 적용하여 엔진의 폐열을 전기 에너지로 변환시킨 후 엔진 보조 전력으로 사용하거나 냉난방 시트에 사용하고 있다. 특히 BMW사의 경우, 지난 2005년 12월에 폐열로부터 전기에너지를 생산하여 엔진 효율을 15% 정도 늘린 연구 사례가 있었으며, 폭스바겐 또한 2008년 10월 베를린에서 열전발전기를 장착하여 5%의 연료 절감 효과를 가져오기도 하였다. 항공 우주 분야의 경우, 나사에서 방사성동위원소를 이용한 열전발전기를 이용하여 voyager 1&2라는 무인 탐사 기구에 적용하였고 이는 추가적인 에너지의 공급이나 배터리의 교체 없이도 40년 가까이 작동시킬 수 있을 것으로 예상한다.

[ 자료 2  열전발전이 장착된  bmw  차량 ]

출처: BMW 코리아

[ 자료 3  무인 탐사선  voyager 1 ]

출처: voyager

  마지막으로는 산업 현장의 용광로, 소각로, 가열로 등에 사용되는 경우이다. 미국 Alphabet Energy사는 캐나다의 가스 시추 회사인 ENCANA사의 가스 굴착 및 정제 공정에서 발생하는 폐열을 회수하기 위해 열전 발전 시스템을 적용하였고, Marlow Industry사는 산업이나 가정에서 사용되는 유체/기체 파이프에서 발생하는 열에너지 회수를 위한 열전 모듈을 개발하여 판매하였다. 일본의 경우 2013년 열전발전 시스템을 개발하여 연속주조공정에 적용하였으며 이를 통해 10kW급 전력을 생산하기도 하였다.

  위 사례들에서 언급한 열전 에너지 하베스팅 이외에도 압전 에너지 하베스팅, 마찰 전기 에너지 하베스팅이 존재한다. 열전 에너지 하베스팅이 폐열, 즉 버려지는 열에너지를 전기에너지로 변환시킨 것이었다면 압전 에너지 하베스팅은 압력을, 마찰 전기 에너지 하베스팅은 마찰을 통한 전자들의 이동(전기적 흐름)을 전기에너지로 변환시키는 것이다. 압전 에너지 하베스팅의 경우 영구의 회사인 페이브젠이 빈민가에 압전 소자를 장착한 축구장을 설치하여 축구를 통해 발생한 전기 에너지로 빈민가의 전구들을 밝힌 사례가 있다. 또한 의료 분야에도 사용되고 있는데, 최근에는 압전 소자를 사용한 무전원 인공 기저막을 개발하여 배터리 교체 없이 귀 내부에서 사용할 수 있도록 함으로써 청각장애인분들이 장애를 노출하지 않고도 소리를 들을 수 있게 하는 장치를 상용화했다.

[ 자료 4  압전 하베스팅을 축구장 ]

출처: LGCNS

[ 자료 5  인공 기저막 ]

출처:  LGCNS

열전 에너지 하베스팅, 그 원리는 무엇일까?

  열전 에너지 하베스팅으로 전기 에너지를 만들기 위해서는 ‘제백 효과’라는 이론을 사용한다. 제백 효과란 두 금속에 온도 차가 발생할 경우 전기가 흐른다는 이론으로 열전소자 그리고 열전 발전 모두 이 이론에 근거하여 연구되고 개발되고 있다.

[ 자료 6  열전 소자 구조 ]

출처: 한국전기연구원

  위 그림처럼 열전 소자의 경우 두 금속판에 n형 반도체와 p형 반도체가 존재한다. 만약 두 금속판에 서로 다른 온도가 주어지면 n형 반도체에서는 전자가, p형 반도체에서는 양공이 흐르게 되며, 이로써 전류가 발생하게 되는 것이다. 또한 열에너지를 전기 에너지로 변환해주는 것이기 때문에 이 전기 전도판은 전기 전도율이 높아야 하며 두 금속의 온도 차를 오랫동안 유지해주기 위해 열전도율이 낮은 금속을 사용해야 한다. 실제 열전 발전과 열전소자는 위 그림과 같은 구조가 굉장히 많이 나열된 구조이며, 따라서 큰 전력을 생산할 수 있게 된다.

 

앞으로 어떤 연구 방향을 가져야 하는가

  이전까지 원활하게 이용할 수 있던 열전 에너지 하베스팅의 경우 자동차, 소각장 등 대부분이 큰 열이 발생하는 곳에서 주로 사용되었기 때문에 신체 온도 등 우리의 일상생활에서 발생하는 열로 손쉽게 전기를 생산하여 사용하기에는 아직 어려움이 있다. 또한 열전 에너지 하베스팅은 아직 효율이 높지 못한 것으로 평가된다. 아래 표를 보면 다양한 하베스팅 기술들을 비교하고 있는데 특히 열전 에너지 하베스팅의 효율이 가장 낮음을 알 수 있다.

[ 자료 7 다양한 하베스팅 비교 ]

출처: 화학공학소재연구정보센터

  때문에 많은 과학자는 이런 열전 에너지 하베스팅의 효율은 높이고 낮고 극소한 온도 차에서도 많은 에너지를 모을 수 있도록 연구를 진행되고 있다. 현재 ETRI에서는 열전소자를 사용하여 사람 체온으로도 2.2mW 정도의 전력을 생산하는 것을 성공해냈으며 이 전력은 센서가 사람의 체온과 맥박을 측정하고 블루투스를 작동시켜 정보를 전달할 수 있는 정도의 전력을 의미한다. 또한 kist 연구진은 열전소자의 효율을 높일 수 있는 재료와 공정 방법을 개발해 100도씨 기준으로 35% 정도의 효율을 향상하는 연구 결과를 보였으며 이외에도 열전소자만 단독적으로 사용하는 것뿐만이 아닌 태양전지에 열전소자를 부착하여 효율을 올리는 방안을 연구 중이다.

[ 자료 8  열전소자를 장착한 태양전지 ]

출처: 서울경제

 이와 같이 열전소자의 효율을 높이기 위한 연구도 존재하는 반면 이러한 열전소자들을 어떻게 사용해야 할지에 대한 연구도 지속적으로 이루어지고 있다. 대표적으로 IOT 기술 외에 웨어러블 기기에 열전소자를 활용하기 위한 연구가 많이 진행되고 있으며 kaist에서는 2017년 인체에 부착할 수 있으며 휘어짐, 즉 탄력성을 가지는 열전소자를 개발해내기도 하였다. 열전소자의 효율이 점점 더 높아짐에 따라 앞으로 대부분의 기술은 배터리를 대신하고 폐열로 작동할 수 있는 시스템이 선호될 것이며 점차 열전 에너지 하베스팅이 곳곳에 상용화될 것이다.

                                

앞으로도 열전 에너지 하베스팅에 대한 지속적인 관심이 필요         

  열에너지, 특히 그중에서도 신체에서 얻을 수 있는 폐열은 항상 우리 곁에 있으며 사람이 존재한다면 불가피하게 발생하는 에너지이다. 그렇기에 열전 에너지 하베스팅은 다른 압전 에너지 하베스팅, 태양전지, 마찰전기 에너지 하베스팅 보다 훨씬 접근성이 편하며 상용화, 일상화될 가능성이 가장 높은 중요한 기술이라고 생각된다. 하지만, 아직 이런 열전 에너지 하베스팅 기술에 대해 모르는 사람이 많으며 연구들 또한 대부분 kaist와 ETRI, KIST에서 진행되고 있기에 좀 더  다양한 곳에서의 활발한 연구와 홍보가 필요하다. 하루빨리 더 많은 이들이 열전 에너지 하베스팅에 대한 관심을 가져 연구에 대한 지원이 원활히 이루어지고 빠른 발전을 이루길 소망하며 나아가 열전 에너지 하베스팅이 현재의 배터리를 대체할 수 있도록 상용화되어 삶의 편리함과 기술의 도약, 환경 보호까지! 많은 이점을 가져올 수 있기를 바란다.

 

참고 문헌

1)대학생 신재생 에너지 기자단, "플렉시블을 넘어 웨어러블까지: 에너지 하베스팅과 패션산업", 2020.03.23, https://renewableenergyfollowers.org/2945

2)송경은, "배터리 없이 체온으로 웨어러블 기기 24시간 작동한다", 2019.01.15, http://dongascience.donga.com/news.php?idx=26305

3)스마트 앤 컴퍼니, "[기고] 에너지 하베스팅, IOT성장 이끌까?", 2020.05.07, www.elec4.co.kr/article/articleView.asp?idx=25533

4) 한국경제, "KIST 실제 반도체 공정 접목해 열전소자 효율 35% 높였다.", 한국경제기사, 2019.07.16, https://www.hankyung.com/it/article/201907167403

5)한국에너지공단, 한국에너지공단 블로그, "버려진 에너지를 모아주는 신기술, 에너지 하베스팅", 2019.03.28, blog.energy.or.kr/?p=18148%EF%BB%BF한국

6)한국전력 공사, 한국 전력 블로그 굿모닝 KEPCO!, "에너지 하베스팅, 무엇이기에 핫할까?", 2019.08.08, https://blog.kepco.co.kr/1567