버려지는 열과 진동을 전기로 재활용

KIST, 에너지 하베스팅 개발

자동차나 공장 등에서 열이나 진동으로 사라지는 에너지원들을 모아 전기 에너지로 바꾸는 '에너지 하베스팅' 시스템이 국내 연구팀에 의해 개발됐다. 에너지 하베스팅은 일상 환경에서 버려지는 열, 진동, 빛, 전자기파와 같은 에너지원을 수확한 후 전기적 에너지로 변환하는 기술이다.

14일 송현철 한국과학기술연구원(KIST) 전자재료연구센터 책임연구원 연구팀은 '열전 효과'와 '압전 효과'를 동시에 접목해 에너지 하베스팅의 생산 전력을 기존보다 약 50% 높였다는 연구 결과를 국제 학술지 '에너지 전환 및 관리' 12월호에 발표했다고 밝혔다.

열전 효과는 소자 양단에서 발생하는 열에너지를 전기적 에너지로 변환하는 효과다. 압전 효과는 기계적 진동을 전기적 에너지로 변환하는 효과다. 이 두 효과를 활용해 에너지 하베스팅 시스템을 개발하는데, 열전 효과는 낮은 에너지 변환 효율, 압전 효과는 높은 '임피던스'를 갖는다는 한계가 있다. 임피던스는 회로에 전압이 가해졌을 때 전류의 흐름을 방해하는 전기 저항을 뜻한다.

연구팀은 두 한계를 모두 해결했다. 시스템은 열전 효과를 얻기 위해 열원에 부착돼 방열 효과를 높여 열원의 냉각을 돕는 소자인 '히트싱크'를 활용한다. 연구팀은 이 히트싱크 대신 '캔틸레버' 형태의 히트싱크를 제작했다. 캔틸레버는 한쪽 끝은 고정되고 다른 쪽 끝은 자유로운 형태를 뜻한다. 연구팀은 "캔틸레버 형태로 히트싱크를 만들면 진동 환경에서 방열 효과가 향상된다"고 설명했다. 높은 임피던스로 발생하는 전력 소모는 캔틸레버의 떨림에 따라 추가 전력을 생산하는 식으로 상쇄했다.

연구팀은 개발한 에너지 하베스팅 시스템으로 상용 위성항법장치(GPS) 센서를 구동하는 데 성공했다. 배터리 전력 공급 없이도 GPS 센서가 상시 가동됨을 확인했다. 연구팀은 "에너지 하베스팅 시스템이 우리 실생활에 안정적으로 적용될 수 있음을 확인했다"고 밝혔다.

[고재원 기자]