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온실가스 배출량과 흡수량을 균형 있게 하는 탄소 중립의 실현, 태양광이나 풍력을 비롯한 재생 가능 에너지의 사용, 혹은 에너지 절약 대책 등 세계적인 기후변화 대책의 움직임을 기점으로 에너지를 둘러싼 과제 해결은 아찔한 속도로 진행되고 있습니다. 

 

최근 에너지 대책에 인공지능(AI), 사물인터넷(IoT) 등 에너지 대책에 관한 기술을 활용한 디지털 트랜스포메이션(Digital Transformation)이 진행되면서 에너지 및 환경문제 해결에 대한 패러다임 전환이 진행되고 있다고 해도 과언이 아닐 것입니다. 

그러한 에너지 분야에서, 새롭게 주목을 끌고 있는 것이 「에너지 하베스팅(Energy Harvesting)」이라고 불리는 기술입니다. 하베스트란 수확이라는 뜻입니다. 즉 가까운 환경에서 미세한 에너지를 "수확"하고 전압체나 모듈, 센서를 구사하여 전력으로 변환하는 기술을 말하며 "환경 발전"이라고도 합니다.

 

이 기술에는 두 가지 주요 이점이 있습니다. 첫 번째는 물론 햇빛, 진동 및 기타 요소에서 전력을 생산하므로 환경 친화적이라는 것입니다. 두 번째는 에너지원과의 근접성입니다.

예를 들어, 산속 깊은 곳에 산사태 재해를 감지하기 위한 IoT 디바이스를 설치하고 이를 지속적으로 운용하고 싶다고 합시다. 그러나 위치상 전력 케이블 및 기타 배선 설치가 어려울 수 있습니다.  또한 배터리를 사용하면 유지 관리 및 비용이 문제가 될 수 있습니다. 이런 경우 에너지 하베스팅을 이용해 주변 환경으로부터 에너지를 하베스트하면 배선이 어려운 곳에서도 디바이스 자체적으로 전력을 생산할 수 있어 IoT 디바이스를 반영구적으로 운용할 수 있습니다.

 

에너지 하베스팅으로 실현되는 전력의 미래상

 

에너지 수확은 인프라 장비의 예측 유지 보수와 같이 지속적인 운영에 필요한 IoT 장치에서 널리 사용될 것으로 예상됩니다.

 

생활 속의 다양한 에너지를 전력으로

에너지 수확에서 환경으로부터 에너지를 수확하는 방법에 대한 몇 가지 주요 예를 살펴보겠습니다.

 

진동(Vibrations)

진동 에너지는 진동이나 충격과 같은 물체의 움직임에서 추출됩니다. 구체적인 예로는 자동차가 달리는 도로와 기차가 달리는 레일의 진동을 들 수 있습니다. 가까운 곳에서는 화장실 세척 구역이나 주방에서 사용되는 자동 수도꼭지에서 물의 흐름을 이용하여 전력을 생산하는 것이 가능합니다.

 

생물(Living Things)
생물도 에너지원이 될 수 있습니다. 한 전자 부품 회사가 수액에서 전력을 생산하는 기술 개발에 착수했습니다. 이것은 식물 도관을 통과하는 수분(목부 수액)과 전극이 반응해 생기는 미량의 전력을 축적하는 메커니즘입니다. 또한 논에 서식하는 미생물이 먹이의 유기물을 분해할 때 방출되는 미량의 전자를 전력으로 전환하려는 노력도 진행되고 있습니다.

 

열(Heat)

열을 이용해 전력을 생산하는 것도 가능하다. 여기에는 기계나 자동차의 모터나 엔진 등이 발하는 열, 빌딩이나 공장의 배수 시에 생기는 열, 나아가 온천의 열 등을 이용해 전력을 창출하는 것이 포함됩니다. 

 

인체(Human Body)
달리기와 사이클링과 같은 운동 형태 외에도 땀과 심장 박동을 통해 발전하는 기술 개발이 진행되고 있습니다.

 

 

에너지 하베스팅의 한 가지 문제는 생성되는 전력량이 그리 많지 않다는 것입니다. 미세한 에너지를 모으고 있기 때문에 에너지 하베스트에 의한 발전량은 그다지 크지 않다고 하는 과제는 있지만, 환경 유래의 에너지에 대한 주목도가 높기 때문에 다양한 분야에의 응용이 기대되고 있습니다.

예를 들어 모빌리티 분야, 특히 전기차 분야에서는 주행 시 모터의 열이나 진동 등 에너지를 전력으로 변환해 배터리에 충전함으로써 스스로 발전하고 달리는 전기차 개발이 기대되고 있습니다. 또한 24시간 상시 가동해야 하는 보안시스템과 연결된 IoT 기기 분야나 정전 시에도 동작을 멈추는 것이 허용되지 않는 인공호흡기 등 장비의 지속적인 가동이 필요한 의료·요양시설 분야에서도 이 기술에 대한 수요도 존재합니다. 

에너지 하베스팅은 미래에 어떻게 사회에 스며들게 될까요?

그리고 그것은 세계적인 지구 기후변화 대책에 어떤 영향을 미칠까요?

앞으로도 우리는 에너지 하베스팅의 진화에 눈을 뗄 수 없을 것입니다.

* 출처  

- 한국무라타전자 매거진, https://koreamuratablog.tistory.com

- 무라타, https://murata.com

      

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