화석연료의 고갈과 이로 인한 에너지 가격 상승, 특히 화석연료의 온실가스 배출로 인한 환경문제는 하루가 다르게 심각성을 더해간다. 에너지 소비의 97%를 해외에 의존하는 우리에게 이 문제는 더 절실하다. 동시에 새로운 청정에너지 확보가 국가적 화두로 부상했다.
때문에 신재생 에너지와 에너지 효율 향상 그리고, 환경을 훼손하지 않으면서 안정적 공급이 가능한 미래 에너지 자원을 확보하기 위한 다양한 노력들이 시도된다.
이 가운데 최근 주목받는 기술이 새로운 형태의 신재생에너지인 ‘에너지 하베스팅(Energy harvesting)이다. 말 그대로 주변에서 버려지는 에너지를 수확해 쓸 수 있는 전기에너지로 변환하고 이용하는 것.
에너지 하베스팅 기술은 태양광을 이용한 ‘태양광발전’과 온도차를 이용해 전기 에너지를 얻는 ‘열전발전’이 대표적이다. 또 주변의 진동이나 충격 등 운동 에너지로부터 전기 에너지를 얻는 ‘압전발전’도 각광받는 기술이다.
◇온도차가 가져다주는 열전발전=열은 주위의 여러 장소에서 사용되고 버려진다. 국내에서 산업분야에서 배출되는 150도 이하의 열은 연간 1000억 칼로리에 달한다는 분석도 있다.
열전발전은 열에너지를 직접 전기에너지로 변환하는 기술이다. 고온부분과 저온부부 사이의 온도차가 발생하면 열은 이동한다. 이 열이 이동하는 에너지를 전기에너지로 변환, 즉 발전시킨다는 게 열전발전의 개념이다.
온도차는 어떤 곳에서도 존재하기 때문에 열전발전의 이용한도는 거의 무한대다. 자연계에 있는 열원, 태양열, 해양열, 지열, 인체열 등을 모두 이용할 수 있다. 공업폐열, 자동차 폐열, 쓰레기소각폐열 등 인공적인 열원도 사용 가능하다. 환경오염이 전혀 없다는 장점도 있다.
이미 열전발전의 기본적인 기술은 다양하게 응용되고 있다. 열전발전을 이용한 기술은 주변에 많다. 휴대용 냉장고, 와인냉장고, 휴대기기용 쿨링패드 등이 바로 그것이다. 열전발전 기술의 적용분야는 더 넓어질 전망이다. 앞으론 하이테크 섬유를 통해 체온으로 발전하는 의류나 경험할 수 있게 될 전망이다.
◇운동에너지를 전기로, 압전발전=주변의 진동이나 충격 등의 운동 에너지로부터 전기 에너지를 얻는 압전발전도 관심거리다. 1880년 피에르 퀴리(Pierre Curie)와 형 자크 퀴리(Jacque Curie)가 압전효과를 최초로 발견했다.
압전효과란 압전체를 매개로 기계적 에너지와 전기적 에너지가 상호 변환하는 개념이다. 압력이나 진동을 가하면 전기가 생기고 전기를 흘려주면 진동이 생기는 식이다.
가스레인지의 점화과정이 압전체를 이용한 압전효과의 대표적인 예다. 손잡이를 돌려 압전체에 압력을 가하면 전기가 생성돼 불꽃이 생기며 공급된 가스와 만나 불이 붙는다.
가장 널리 사용되는 대표적인 압전체는 PZT(납, 질콘, 티탄으로 만든 소재)라는 세라믹(무기화합물) 소재다. 그러나 최근 환경 문제에 대한 규제가 늘어남에 따라 납을 사용하지 않은 압전 세라믹 재료의 개발 필요성이 높아지고 있다.
압전발전의 적용분야도 무궁무진하다. 압전 발전기를 군화에 부착하면 군인들이 걸어 다닐 때의 진동을 이용 무전기의 배터리를 충전할 수 있다. 또 상·하수도에 부착된 센서가 물이 흐르는 수도관의 진동을 이용해 자체 발전, 전기 공급 없이 수도관의 상태를 메인 서버로 전송할 수도 있다. 초음파 가습기도 압전효과를 이용한 제품이다. 전기를 압전체에 흘려주면 초당 20만번 이상의 진동이 이어지고 이 진동이 물을 깨뜨려 수증기를 만들어 낸다. 이밖에 압전 초음파는 자동차의 뒷거울 이슬 방지, 초음파 치료기, 초음파 모터 등 다양한 분야에 이용된다.
윤석진 한국과학기술연구원(KIST) 재료소자본부장은 “에너지 하베스팅 기술은 열, 진동 등 주변의 사용하지 않는 에너지원으로부터 전기 에너지를 수확하는 차세대 기술”이라며 “산업수요가 소형화, 나노화로 전개되는 만큼 초음파모터 등 압전기술을 적용한 제품의 수요와 개발이 급증할 것”이라고 말했다.
<표>압전체 적용분야
윤대원기자 yun1972@etnews.co.kr
