스마트 알람 시계가 알려주는 날씨 정보를 들으며 기상을 하고, 스마트 체중계에 올라 변화된 신체를 확인하고, 개인비서와 같은 스마트 시계를 차고 출근을 하고, 퇴근 후에는 스마트 웨어러블 기계를 착용하고 운동을 하고 집으로 돌아와 인공지능 비서와 함께 하루의 일과를 정리하고 잠자리에 듭니다. 과거 이런 생활은 영화 속에서나 가능한 장면이었지만, 첨단기술의 발달과 함께 이런 일들은 이제 우리 주변에서 쉽게 발견할 수 있게 되었습니다.
이미 많은 사람들이 다양한 스마트 아이템을 통해 다양한 정보를 좀 더 편리하고 빠르게 습득할 수 있을 뿐만 아니라, 습득된 정보를 스마트 아이템을 통해 세분화하여 활용할 수 있게 되었습니다. 그런데 스마트 아이템의 발전과 점점 더 많은 양의 정보를 처리하게 되면서 이런 기기들이 가지는 문제점이 하나 있는데요. 그것은 바로 배터리입니다. 즉 기기를 책임지는 에너지의 문제인데요. 이런 문제를 해결하기 위한 에너지 하베스팅 기술이 떠오르고 있습니다. 지금부터 우리의 미래를 책임질 에너지 하베스팅 세계로 들어가 보도록 하겠습니다.
에너지를 수확한다! #에너지 하베스팅
에너지 하베스팅(Energy Harvesting)을 단어 그대로 해석하면 에너지를 수확한다는 뜻인데요. 식물을 수확한다는 말을 흔하게 듣지만, 에너지를 수확한다는 말은 잘 이해가 되질 않습니다. 에너지 하베스팅은 전기 공급이 물리적으로 어려운 곳에 위치한 오지에 있는 장비나 우리가 일상생활에서 자주 사용되는 소형 전자장비를 배터리 교체 없이 지속적으로 작용시킬 수 있는 방법으로 탄생한 개념입니다. 에너지 하베스팅이라는 개념은 1954년 미국 벨연구소가 처음 사용한 것으로 태양광, 진동, 열, 풍력 등 자연적인 에너지원으로 발생하는 에너지를 전기 에너지로 전환하여 수확하는 기술을 말합니다.
에너지 하베스팅의 #원리
에너지 하베스팅의 원리는 다양하며, 최근에도 다양한 연구팀에 의해서 다양한 원리들이 개발되고 있는데요. 여기서는 대표적인 3가지 원리에 대해서 알아보도록 하겠습니다.
1. 광전효과
▲ 출처: 네이버 지식백과, http://terms.naver.com
광전효과는 아인슈타인이 빛의 입자성을 이용하여 설명한 현상인데요. 금속 등의 물질에 일정한 진동수 이상의 빛을 비췄을 때, 물질의 표면에서 전자가 튀어나오는 현상을 말합니다. 이런 현상은 태양전지에 주로 사용되는데요. 서로 다른 성질을 가진 P형 반도체와 N형 반도체의 접합을 통해 외부에서 흡수된 빛 때문에 발생한 전자와 정공이 이동하면서 회로에 전류가 흐르는 방식입니다.
2. 열전효과
▲ 출처: 네이버 지식백과, http://terms.naver.com
광전효과가 열에 의한 것이라면 열전효과는 말 그대로 열에 의한 것입니다. 물체에 온도 차가 발생하면 온도가 높은 쪽은 높은 운동에너지를 갖게 되고, 높은 운동에너지를 갖은 쪽에서 운동에너지가 낮은 쪽, 즉 온도가 낮은 쪽으로 이동하는 열 흐름이 발생하며 전류가 생기는 것입니다. 이런 열전효과는 온도 차가 클수록 전기도 세게 나타납니다. 이런 방식은 가정용 와인냉장고나 소형 화장품 냉장고 등에 널리 사용되고 있습니다.
3. 압전효과
앞의 두 방식과는 달리 압전효과는 압력에 의한 생성되는 원리입니다. 힘을 가해 어떤 물질을 누르면 양전하와 음전화가 나뉘는 유전 분극 현상이 일어납니다. 이때 표면의 전하 밀도가 변하면서 전기가 흐르는 현상이 압전효과가 나타나게 됩니다. 이런 현상을 이용한 대표적인 생활용품이 바로 전기 라이터인데요. 전기 라이터를 켜기 위해 우리가 하는 행동을 잘 생각해보시면 됩니다. 라이터 상단에 위치한 버튼을 압력을 가해 눌러주면 라이터 내부의 망치가 압전소자를 때리게 되고, 그로 인해 발생한 스파크(전류)를 통해 가스를 점화시키는 것입니다.
에너지 하베스팅의 활용 #아이템
오래된 아파트에 고장 난 인터폰 때문에 항상 택배 기사님은 노크를 하게 됩니다. 몸이 불편한 어르신, 급하게 누군가를 찾고 싶지만 목소리가 잘 나오지 않아 당혹스럽기만 한데요. 이런 분들에게 무선 초인종이 큰 인기를 누리고 있습니다. 선이 없기 때문에 전파를 방해받지 않는 곳이면 어디에든 설치하여 누구나 쉽게 사용할 수 있는 무선 초인종! 그런데 무선 초인종에도 문제점이 하나 있습니다. 그것은 바로 배터리입니다. 눈으로 보이지 않는 배터리의 잔량. 그래서 필요한 순간 초인종이 작동하지 않는 경우가 발생하는데요. 급하게 배터리를 교체하면 되지만, 여분의 배터리가 없으면 무용지물이 되고 맙니다.
▲ 출처: 킥스타터 홈페이지, http://kck.st/2g6Irzs
그런데 이런 무선 초인종을 무한하게 사용 가능하게 만들어주는 기술이 있습니다. 그것이 바로 우리가 앞에서 이야기한 에너지 하베스팅 기술입니다. 에너지 하베스팅 기술은 손님이나 택배기사님 혹은 요청이 필요한 사람이 누르는 송신기에 적용되는데요. 초인종을 누를 때마다 발생하는 전자기 유도를 이용해 신호를 송신하게 됩니다. 손가락 정도 크기의 모듈을 통해 초인종도 작동되게 하며, 별도의 배터리 없이 반영구적으로 사용할 수 있는 제품으로 탄생되었습니다.
에너지 하베스팅은 다양한 초소형 전자제품과 웨어러블 전자기기의 발달과 함께 급속도로 성장하고 있는데요. 물론 아직까지 안정적인 전력 공급이라는 부분에 있어서 문제점을 나타내고 있습니다. 기존의 에너지에 비해 안정적인 에너지 수급이 어렵고, 에너지 수확을 위한 센서와 각종 기반 시설에 들어가는 투자 비용이 높다는 단점이 있습니다. 그러나 신체를 이용한 에너지 하베스팅 기술, 극소량의 전력을 수확하는 마이크로 에너지 하베스팅 기술 등 좀 더 진화된 기술이 등장하면서 미래에 꼭 필요한 에너지원이 되어가고 있습니다. 또한 전기 라이터나 무선 초인종처럼 내구성, 내부식성, 가공성이 좋은 석유화학제품과 결합하여 우리 생활에 편리한 제품으로 탄생되고 있어 앞으로의 미래가 더욱 기대되고 있습니다.
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