에너지 하베스팅 - 양파껍질을 이용해서 생산하는 전기 에너지

‘분리수거된 플라스틱, 유리, 고철과 같은 재활용품처럼 버려지는 에너지도 다시 재활용할 수 있다면 얼마나 좋을까?’ 이런 생각에서 출발한 친환경 에너지 기술은 일상에서 발생하는 에너지를 이용하여 전기 에너지를 생산하는 에너지 하베스팅으로 발전하였습니다. 오늘은 에너지 하베스팅 중에서도 압력을 이용하여 전기를 생산하는 압전소자에 대해 자세히 살펴보겠습니다.

버려지는 에너지를 다시 사용하는 에너지 하베스팅

에너지 하베스팅은 자연에서 발생되는 에너지를 전기 에너지로 변환하는 것뿐만 아니라 일상에서 발생하는 진동, 실내 조명광, 자동차에서 발생하는 열, 방송 전파 등 우리 주변에 쉽게 버려지는 에너지까지 전기 에너지로 변환하여 사용할 수 있도록 하는 기술을 말합니다. 즉, 우리가 아침에 일어나서 다시 잠들기까지 발생하는 모든 일상생활 속 에너지를 다시 활용하는 친환경 기술이죠. 이런 에너지 하베스팅의 종류로는 신체 에너지 하베스팅, 열 에너지 하베스팅, 위치 에너지 하베스팅, 전자파 에너지 하베스팅, 진동 에너지 하베스팅이 있는데요. 이 중에서 진동 에너지 하베스팅은 비교적 발전 효율이 높고, 응용 범위도 넓기 때문에 향후 실용 에너지로 전망이 밝습니다.

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실질적으로 이용되는 에너지 하베스팅의 사례

에너지 하베스팅의 활용은 다양한 곳에서 확인할 수 있습니다. 2001년 국제전자제품 박람회에서는 버튼을 누르는 운동에너지를 전력으로 바꿔 건전지가 필요 없는 TV 리모컨을 선보였으며, 브라질 리우데자네이루의 빈민가 축구장에는 아이들이 축구장을 뛰어다니며 발생하는 진동 에너지를 6개의 LED 조명전력으로 전환하여 사용하고 있습니다. 그리고 이스라엘에서는 도로, 철도, 공항 활주로에 진동 에너지 하베스팅을 적용하여 1km의 도로에서 시간당 200kWh의 전력을 생산하고 있습니다. 이렇게 진동과 압력를 통해서 전기 에너지를 얻으려면 압전소자가 필요한데요. 그렇다면 압전소자란 무엇일까요?

압력으로 전기를 생산하는 압전소자

압전소자는 압력을 가하면 전기를 생산하는 성질을 가진 것을 말하며 대표적으로 수정, 전기석, 로셸염 등이 있습니다. 압전소자를 이용하면 일생 생활에서 잡거나 누르고, 걸을 때마다 전기 에너지를 만들 수 있죠. 압전소자를 물리적인 힘으로 누르면 양전하와 음전하가 나뉘는 ‘유전분극’이 발생하고 이러한 전하밀도의 변화로 인해 전기가 흐르는 ‘압전효과’가 발생합니다. 이렇게 압전효과로 압력에 변화를 줄 때마다 전기를 생산하는 압전소자는 라이터, 발광 신발, 밟을 때마다 소리가 나는 계단 등 다양한 곳에서 활용되고 있습니다. 그런데 친환경적으로 전기를 생산하는 압전소자를 만들기 위해서는 납이나 바륨과 같이 인체에 나쁜 영향을 미칠 수 있는 화학물질이 사용되는 문제점이 있습니다.

친환경 압전소자인 양파 껍질

2017년 11월 포스텍에서 화학 처리가 필요하지 않은 양파 껍질을 이용해 높은 전력 효율을 만드는 나노 압전소자를 개발하여 기존의 화학물질을 이용한 압전소자의 문제점을 해결했습니다. 유해성 물질이 아닌 천연 소재를 이용하여 생분해성, 생체적 합성이나 물질 합성 측면에서도 발전 가능성이 크다고 합니다. 흔한 양파 껍질이 친환경 압전소자가 될 수 있었던 이유는 양파 껍질에 들어있는 셀룰로스 섬유질 때문인데요. 유리판을 쌓은 모양으로 되어있는 셀롤로스 섬유질의 층 내부에는 같은 수의 양전하와 음전하가 배열되어 있고, 이러한 양파 껍질에 물리적 힘이 전해지면 나란히 배열되어 있던 양전하와 음전하가 이동하면서 전기가 발생하는 것이죠. 양파 껍질은 심지어 나뭇잎을 움직이는 바람이나 작은 힘에도 전기를 생산할 수 있을 만큼 민감하고 효과적인 압전소자라 더욱 각광받고 있습니다.

압전소자의 미래

양파 껍질처럼 아주 민감한 반응에도 전기를 생산할 수 있는 압전소자 기술을 신체나 기기에 부착한다면 걸어 다닐 때 발바닥에 발생하는 압력이나 기침과 같은 사람의 일상적인 움직임으로 우리에게 필요한 전기 에너지를 만들어 줄 것입니다. 또 도로에 압전소자를 적용하여 자동차나 사람이 지나가면서 누르는 압력으로 전기를 생산하고 주위 시설에 전기를 제공할 것으로 예상할 수 있습니다. 그러기 위해서는 연구와 개발을 통해 압전소자의 내구성 개선과 전기발전 효율의 향상이 필요합니다. 압전소자를 포함하여 앞으로 계속 발전하게 될 버려지는 에너지를 또 다른 에너지로 발전시키는 에너지 하베스팅은 더욱 편리한 생활뿐만 아니라 화석 연료로 인한 환경오염 문제도 해결해 줄 것입니다.

그냥 버려지는 쓰레기를 분리해서 수거하면 재활용할 수 있듯이 버려지거나 일회성으로 소비되는 에너지에도 특별한 기술력이 더해지면 새로운 에너지로 재생산됩니다. 마지막으로 에너지 하베스팅과 압전소자에 대한 정보도 얻고 특별한 선물도 받아보시라고 간단한 퀴즈 이벤트를 준비했습니다. 그럼 두 마리 토끼 다 잡아보세요!

Q. 최근 개발된 나노 압전소자이자 친환경 압전소자는 OO껍질을 이용해서 만들었습니다.

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