버려진 에너지도 이젠 줍줍한다. "에너지 하베스트" 에 대해 알고 계신가요?

에너지 하베스팅은 버려지는 에너지를 수확해 사용 가능한 전기에너지로 변환하고 충전해 활용하는 기술이다. 주변에서 쉽게 버려지는 열에너지, 진동에너지, 잡음에너지 등을 전부 저장해 사용하는 것으로 태양력, 풍력, 수력 등 대량의 에너지를 생산하는 기존 신재생 에너지와는 다른 개념입니다. 에너지 하베스팅 기술과 융합할 경우 가장 큰 시너지 효과를 낼 수 있는 분야로는 LED·OLED가 꼽히는데, LED와 연계돼 어린이 유괴나 납치 등 심각한 사회문제 해결에 적극 이용되고 있으며, 반영구적으로 전원을 공급하는 LED를 부착해 실시간 관측이 가능한 관제장치로 이용할 수 있습니다.

기계적 에너지 하베스트(Mechanical Energy Harvesting)

1. 원리 및 주요 메커니즘

기계적 에너지를 전기로 변환하는 대표적인 메커니즘은 다음과 같습니다:

① 압전 효과 (Piezoelectric Effect)

특정 물질(예: 압전 세라믹, PZT 등)에 기계적 변형(압력, 진동 등)이 가해지면 전하가 발생하는 현상

진동, 충격, 스트레칭 등 다양한 형태의 기계적 에너지를 전기로 변환 가능

응용: 신발 밑창, 도로, 기계 진동 센서 등

② 정전기 유도 (Electrostatic)

두 전극 사이의 정전용량 변화에 의해 전기를 발생시키는 원리

주로 마이크로 전자기계 시스템(MEMS)에서 사용

진동에 의해 전극 간 거리가 변하면서 전하가 이동

③ 전자기 유도 (Electromagnetic Induction)

움직이는 자석과 코일 사이의 상대 운동에 의해 전류가 유도됨

대형 진동기계나 회전기계에서 에너지 수집에 적합

예: 교통량 센서, 산업용 진동 에너지 수집

2. 주요 소재 및 구조

압전소자(Piezoelectric Materials): PZT, PVDF(폴리비닐리덴 플루오라이드), ZnO 나노와이어 등

전자기 소자: 영구자석, 코일

정전기 소자: MEMS 기반 정전용량 구조

3. 활용 사례 및 응용 분야

웨어러블 디바이스: 걷거나 움직일 때 발생하는 압력 에너지를 전기로 변환해 센서 구동

스마트 인프라: 도로, 교량 등의 진동 에너지를 수집해 모니터링 센서에 전원 공급

산업용 기계: 진동이 많은 공장 설비의 에너지 하베스트로 무선 센서 네트워크 전원 확보

의료기기: 체내 삽입형 센서에 기계적 움직임으로 전력 공급

태양광 에너지 하베스트(Solar Energy Harvesting)

1. 원리 및 주요 메커니즘

**광전 효과 (Photovoltaic Effect)**를 이용하여 빛(주로 태양광)을 반도체 소재의 태양전지에 흡수시키면 전자가 들뜬 상태가 되어 전류가 생성되는데

이렇게 생성된 전기를 저장하거나 바로 기기에 공급하여 자가전원 시스템을 구현합니다.

2. 주요 소재 및 구성

태양전지 (Solar Cell): 빛을 전기로 변환하는 핵심 소자. 실리콘 기반 태양전지가 가장 널리 쓰이지만, 페로브스카이트, 유기태양전지 등 신소재도 연구 중입니다.

에너지 저장 장치: 배터리 또는 슈퍼커패시터로, 빛이 없을 때도 전력을 공급하기 위해 필요합니다.

전력 관리 회로: 변환된 전력을 효율적으로 저장하고 필요한 전압으로 조정하는 역할을 합니다.

3. 활용 사례 및 응용 분야

웨어러블 기기: 손목밴드, 스마트워치 등 소형 기기에 태양광 패널을 부착해 충전

사물인터넷(IoT) 센서: 실내외 빛을 이용해 무선 센서 노드의 전원으로 활용

스마트 빌딩: 창문에 설치 가능한 투명 태양전지로 자체 에너지 생산

원격 환경 모니터링: 배터리 교체가 어려운 외진 지역 센서에 전력 공급

열 에너지 하베스트(Thermoelectric Generation)

1. 원리: 열전효과 (Thermoelectric Effect)

**제벡 효과(Seebeck Effect)**가 핵심 원리입니다.

두 종류의 서로 다른 반도체(보통 n형과 p형)를 접합해 한쪽은 고온, 다른 쪽은 저온으로 유지하면, 온도 차이에 의해 전자가 이동하며 전압이 발생합니다.

이 전압을 이용해 전류를 흐르게 하여 전기를 생성할 수 있습니다.

2. 주요 소재 및 구성

열전모듈(Thermoelectric Module): 다수의 n형과 p형 반도체 소자를 직렬로 연결한 구조

열원(Heat Source): 고온부, 예를 들어 산업폐열, 자동차 배기열, 인체 체온 등

냉각원(Heat Sink): 저온부, 주변 환경이나 냉각판이 역할

비스무트 텔루라이드(Bi2Te3): 실온 근처에서 가장 널리 쓰이는 열전 소재

납 텔루라이드(PbTe), 실리콘 게르마늄(SiGe): 고온용 소재

신소재 연구: 나노구조화, 복합재료, 하이브리드 소재 등 효율 향상 시도

3. 활용 사례 및 응용 분야

산업 폐열 회수: 공장, 발전소 등에서 버려지는 열을 전기로 변환

자동차 열 회수 시스템: 배기열을 이용해 차량 전력 보조

웨어러블 헬스케어: 체온 차이를 이용한 자가전원 센서

우주 및 원격 센서: 배터리 교체가 어려운 환경에서 전력 공급