1.탐구 동기
최근 기후 위기와 에너지 문제에 대한 관심이 높아지면서 에너지를 효율적으로 활용하는 방법이 중요하다고 생각했다. 그러던 중 과학 캠프에서 일상생활에서 버려지거나 소모되는 에너지를 전기에너지로 변환하는 에너지 하베스팅 기술을 배웠다. 열전 소자와 압전 소자의 에너지 변환 실험을 진행하면서 주변에 있으나 내가 무심코 지나쳐 버려지던 에너지들이 전기에너지로 활용될 수 있다는 점에 관심을 가지게 되었다. 이러한 관심이 생겨 에너지 하베스팅 기술에 대해 더 탐구하기로 마음 먹었다.
2.에너지 하베스팅의 정의와 장단점
에너지 하베스팅은 일상생활에서 버려지거나 소모되는 에너지를 모아 전력으로 재활용하는 기술이다. 장점은 화석연료를 사용하지 않고 일상 속 에너지를 이용하며, 다양한 에너지 형태로부터 전기 에너지로 변환시킬 수 있는 친환경 기술이라는 것이다.
3.에너지 하베스팅에 쓰이는 효과
3-1 열전 효과
물체의 온도 차를 전위차로 혹은 전위차를 온도 차로 전환시키는 현상이다. 온도가 높은 물체의 전자들은 온도가 낮은 물체의 전자들보다 더 높은 운동 에너지를 갖게 되며, 두 물체가 연결되는 경우 고온부의 전자들이 저온부로 퍼지며 전위차가 발생하는 현상을 이용하여 전기를 발생시키게 한다.
3-2 압전 효과
압전 소개를 매개로 기계적 에너지와 전기적 에너지가 상호 변환되는 현상이다. 다시 말해, 압전 특성이 있는 물질에 압력이나 진동을 가하면 전기가 생기고, 반대로 전기를 가하면 진동이 생기는 현상이다.
3-3 광전 효과
금속 표면에 일정한 진동수 이상의 빛을 비추면 금속에서 전자가 튀어나오는 현상이다. 이때 튀어나오는 전자를 광전자라고 하는데, 빛을 아무리 강하게 비춰도 빛의 진동수가 너무 낮으면 전자가 나오지 않고, 반대로 빛의 진동수가 일정 수준 이상이면, 빛이 약하더라도 전자가 방출될 수 있다.
4.에너지 하베스팅의 종류
4-1 신체 에너지 하베스팅
우리의 신체는 움직일 때마다 체온, 정전기, 운동 에너지 등이 발생한다. 몸에서 발생하는 온도와 외부 기계의 온도 차를 이용하거나, 작은 움직임들을 전기 에너지로 변환한다.
4-2 진동 에너지 하베스팅
대형 회전기나 구조물을 통해 만들어지는 진동 혹은 충격 에너지를 전기 에너지로 변환시킨다. 예를 들어, 사람들이 자전거 페달 또는 각종 기구를 움직여 전기를 생산할 수 있다. 실제로 사람은 자전거 페달을 돌리는 진동으로 하루에 약 2kWh의 전기를 생산할 수 있다.
4-3 열 에너지 하베스팅
열전 효과를 사용한다. 온도 차로 인해 열이 이동할 때 전기 에너지로 변환시켜서 사용할 수 있도록 하는 에너지 하베스팅이다. 예를 들어, 산업 현장에서의 용광로, 소각로, 가열로 등에서 폐열을 회수하기 위한 열전(열 에너지와 전기 에너지의 변환을 행하는 반도체 소자) 발전 시스템을 적용해 전기를 생산할 수 있다.
4-4중력 에너지 하베스팅
압전 효과를 사용한다. 예를 들어 과속 방지 턱, 횡단보도 일시 정지선, 통행료를 납부하는 톨게이트 등 자동차의 압력을 이용해 전기를 생산할 수 있다.
4-5 광전 에너지 하베스팅
광전 효과를 사용한다. 광전 효과가 일어나는 과정에서 물질의 전자가 빛의 에너지를 흡수하고, 그 에너지에 반응해 전자들이 물질 내에서 움직이게 되는 원리를 기반으로 한 에너지 하베스팅이다. 대표적인 예로는 태양광을 흡수하여 전기에너지로 변환하는 태양전지가 있다.
5.내 진로(기계공학과)와 연관된 에너지 하베스팅 기술
요즘 산속 깊은 곳의 송전탑, 거대한 교량, 발전설비처럼 사람이 직접 접근하기 어려운 시설물은 드론과 IoT 센서를 활용해 안전을 점검하는 경우가 많아졌다. 그러나 배터리 관리 문제라는 한계가 존재한다. 이러한 한계를 극복하기 위해 ‘송전선 자기장 활용 자가전원 기반기술’이 개발됐다. 송전선에 전류가 흐르면 그 주변에는 눈에 보이지 않는 원형의 자기장이 형성된다. 원래는 버려지는 에너지였지만, 에너지 하베스팅을 이용하면 사용 가능한 에너지로 만들 수 있었다. 그러나 기존의 에너지 하베스팅 기술은 약한 자기장 환경에서 피에조(압전) 소재의 진동이 충분히 발생하지 않아, 실생활에서 사용할 만큼의 전력을 생산하기 어려웠다. 충분한 전력을 만들기 위해서는 피에조 소재를 더 크게, 그리고 더 안정적으로 흔들어 줄 수 있는 새로운 구조가 필요했다. 한국생산기술연구 연구진은 피에조를 중앙에 고정하고 양쪽에 자석을 배치한 대칭 진동 구조를 새롭게 개발했다. 자기장의 방향이 바뀌어 흔들릴 때마다 양쪽 자석이 대칭으로 함께 움직이며 피에조 소재에 더 큰 진동을 유발하도록 만든 것이다. 이 대칭 진동 구조와 자기장을 효율적으로 모아주는 장치를 결합한 결과, 놀라운 성능 향상을 이뤄냈다. 전력 생산량은 기존 방식 대비 약 2배 향상하고, 전력 변환 효율은 20% 이상 향상했다. 이번에 개발된 자가전원 기술은 외부 충전이 어렵거나 사람이 접근하기 힘든 다양한 산업 현장에서 전원 공급원 역할을 할 수 있다. 예를 들면, 송전설비 주변 IoT 센서, 교량 및 대형 시설물 모니터링 장치, 초소형 드론 및 자가전원 시스템 등의 전원을 공급해줄 수 있다. 배터리 교체나 외부 충전 없이도 관련 장치를 더 오래, 더 안정적으로 운용할 수 있는 기반이 마련됐다.
6.보고서를 작성하며 느낀점
과학 캠프에서 에너지 하베스팅의 원리를 배우고 열전 소자와 압전 소자의 에너지 변환을 직접 확인한 뒤 보고서를 작성하면서, 우리 주변에서 버려지는 에너지도 새로운 방식으로 활용할 수 있다는 점이 인상 깊었다. 처음에는 단순히 에너지를 전기로 바꾸는 기술이라고 생각했지만, 조사하는 과정에서 열, 진동, 압력, 자기장 등 다양한 에너지를 활용할 수 있고 실제 산업 현장에서도 활용될 수 있다는 것을 알게 되었다. 특히 사람이 접근하기 어려운 송전설비나 교량의 센서에 에너지 하베스팅을 활용하면 배터리 교체와 충전의 한계를 줄일 수 있다는 점에서 기술의 실용성을 느꼈다. 또한 기계공학과 관련된 사례를 조사하면서 에너지 하베스팅은 단순한 전기 기술뿐만 아니라 소재의 특성과 구조를 설계하고 에너지 변환 효율을 높이는 기계공학적 연구와도 밀접하게 연결되어 있다는 것을 알게 되었다. 이번 탐구를 통해 기계공학을 바라보는 시야가 넓어졌으며, 나중에는 에너지 하베스팅 기술과 기계공학이 연관된 사례들을 더 조사해보고 싶다.