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[디지털타임스] [Forum] Focusing on the future energy "Energy Harvesting Technology"
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  • 2018-09-20 17:45:50

 

[포럼] 미래 먹거리 `에너지 수확 기술` 주목해야

김대원 경희대 전자공학과 교수 

입력: 2018-04-23 18:00
[2018년 04월 24일자 22면 기사]

 


   

 

최근 입을 수 있는 소자, 인체 삽입형 소자 및 무선 센서 노드를 필두로 한 소형 전자 소자의 발전이 급속히 진전되고 있다. 이런 소형 소자들의 핵심 성능은 작은 크기로 오랜 시간 동작할 수 있어야 한다는 점이다. 그런데 시스템의 점점 소형화되면서 기존에 전원으로 사용됐던 배터리는 재충전을 위한 시간 및 노력이 들어가고 시스템 내 소자나 센서와 대비해서 크기가 크다는 문제가 있었다. 또한, 인체 내부나 지속적인 환경 모니터링 등 재충전이 힘든 환경에서 사용될 경우 배터리를 대체해야 한다는 근본적인 필요성이 존재한다.  

 
이런 배경에서 주위 환경에서 사용되지 못하고 버려지는 다양한 에너지를 우리가 사용 가능한 전기 에너지로 변환하는 '에너지 수확 기술'의 중요성이 커지고 있다. 리서치 전문업체 아이디테크이엑스(IDTechEx)에서 예측한 전 세계 에너지 수확 시장의 총 시장 규모는 2012년을 기준으로 7000억 원 정도이고 이후 성장을 거듭해 2022년에는 그 규모가 5조 원이 될 것으로 예측되고 있다.

다양한 에너지 수확 기술 중에서도, 미국 조지아공대 교수인 왕종린 교수 연구팀이 2012년 말 처음으로 제안한 마찰대전 현상을 이용한 에너지 수확 기술을 주목할 만하다. 위 기술이 학계에 발표된 이후로 2013년부터 2017년까지 마찰대전 현상을 이용한 에너지 수확기술과 관련된 주제로 약 두 배의 연구 논문들이 발표되고 있다.  

마찰대전 현상을 이용한 에너지 수확 기술은 다양한 친환경 소재를 사용하고, 재료비와 공정비가 매우 낮으며, 간단한 설계로 제작 가능하다는 장점을 갖고 있다. 이와 같은 제조상의 편리성을 적극 활용한다면 향후 위 기술을 상용화하는데 보다 수월할 것으로 예측되고 가까운 미래에는 태양광, 폐열, 압전현상을 이용한 에너지 수확 기술이 기존 친환경 에너지 기술 시장에서 차지하는 시장점유율을 가져올 수 있을 것으로 전망된다.  

특히 마찰대전 현상을 이용한 에너지 수확 기술은 일반 가정이나 개발도상국에서도 쉽게 제작, 사용될 수 있을 것으로 예상된다. 개발도상국들이나 산업화된 국가들의 소외된 지역들에 적합한 단순한 기술을 의미하는 적정기술(appropriate technology)로도 구현 가능하므로 국내뿐 아니라 전 세계적 측면에서 기여할 수 있는 바가 클 것이라 예상하고 있다.한편 에너지 수확 기술의 경우 기존의 에너지 발전 기술과는 그 개념상 차이가 존재한다. 예를 들어 우리가 아무리 생활 주변의 에너지를 수확해 이를 이용한다고 하더라도 우주선을 지구 밖으로 쏘아 올리거나 전기 자동차를 달리게 할 수 있을 정도의 에너지를 획득하기는 불가능하다. 현재는 저전력으로 동작하는 소형 전자자기를 충전할 수 있는 수준에 머물러 있다. 

에너지 수확 기술의 궁극적인 목표는 스마트폰과 같은 소형 전자기기가 배터리 없이도 스스로 자가 발전해 에너지를 저장하는 수준에 도달하는 것이다. 그 정도에 이르려면 아직 더욱 활발하게 이뤄져야 할 것으로 보이지만, 계속적인 연구개발이 진행된다면 머잖아 배터리와 에너지 수확 소자가 상호보완적으로 공생하는 시스템이 개발돼 배터리의 사용기간을 더욱 늘릴 수 있게 될 것으로 본다. 다만 이를 위해서는 반드시 기술적, 정책적인 지원이 필수적으로 수반돼야 한다.

무엇보다 고전압 충/방전용 소자, 회로 기술이 부족한 상황이기 때문에, 마찰대전 현상을 이용한 에너지 수확 기술을 더욱 발전시키기 위해서는 엔지니어들의 인터페이스 회로 설계 기술 선점이 필수다. 현재 중국의 많은 연구진들이 마찰대전 에너지 수확 기술을 선도하고 있고 대부분 소자 디자인 및 실용적 응용처 탐색에 집중하고 있다. 위 기술을 실제로 상용화하려면 기술적으로 인터페이스 회로를 설계하는 것이 가장 필요하고 이러한 분야를 선점해야 궁극적으로 에너지 수확 기술을 선도할 수 있다고 본다.  

특히, 에너지 수확 소자의 전력 관리 회로는 시스템의 안정적인 동작을 위해서 필수적인데, 이는 에너지 수확 소자로부터 입력되는 에너지를 실제 부하 쪽 센서 시스템이 사용할 수 있는 정류된 전압으로 변화시키거나 효율적으로 배터리를 충전하는 역할을 담당하기 때문이다. 뿐만 아니라, 회로의 저전력 동작은 주변 환경에서 수확 장치로 입력되는 에너지가 매우 낮은 상황을 대비한 중요한 기술이다. 최대전력 추출 기술은 센서 시스템이 사용 가능한 전력의 범위를 증가시켜 시스템의 성능을 높일 수 있는 기술이다. 이러한 기술들을 적극 활용해 에너지 수확 기술용 전력 관리 인터페이스 회로를 개발한다면 마찰대전 에너지 수확 기술을 다양한 산업 분야에서 범용적으로 활용하는데 도움이 될 것으로 전망된다. 

정책적인 측면을 보면, 세계 각국은 온실가스 배출로 인한 기후변화에 대응하기 위해 지속적으로 친환경 에너지의 비중을 높이고 있고 저탄소 에너지로의 전환을 추진 중에 있다. 특히 주요국은 신재생에너지의 비중을 20% 이상 확산시키는 것으로 보급 목표를 수립하고 있다.(미국: 2035년까지 27%, 중국: 2030년까지 30%, EU: 2030년까지 27%) 현재 우리 정부는 현재 2030년까지 11%까지 높이는 것이 목표인데 이는 다른 선진국보다는 낮은 수치다. 향후 우리 정부는 대한민국을 이끌어 갈 새로운 에너지 관련 아이템들을 개발하기 위해 정부 차원의 연구 개발 계획을 수립하고 지속적인 관심을 보여줘야 할 것이다. 그래야만 우리나라가 차세대 에너지 선진국의 위치에서 경제적, 외교적으로 큰 목소리를 낼 수 있을 것이다. 

차세대 친환경 에너지 분야는 미래의 대한민국의 경제와 성장을 이끌어나갈 핵심 원동력이다. 앞으로 정부는 친환경 에너지 분야와 관련된 기술을 과감하게 지원해야 할 것이고 이와 동시에 연구진들은 창의적이고도 혁신적인 성과를 창출하려는 각고의 노력을 해야할 것이다. 가까운 미래에는 대한민국 국민의 기대에 부응하는 창조적이고도 선순환적인 R&D 시스템이 정착하길 기대해 본다.

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