열전이 뭐야? : 에너지 하베스팅 기술의 유용한 에너지 원천

열전이 뭐야?

: 에너지 하베스팅 기술의 유용한 에너지 원천

 

[그림1 : Key Trends Driving Innovation]

출처 : CYMBET Corporation “Energy Harvesting for Powering WSN Symposia”

 최근 CYMBET Corporation이 주최한 에너지 하베스팅 기술 관련 학회에서 혁신 기술을 이끄는 중요한 트렌드 6가지를 꼽았다. 그 중 하나로 친환경적이고 재생 가능한 에너지가 언급되었다. 

위 그림을 보면 친환경, 신재생에너지가 혁신 기술의 트렌드 중 하나로 언급되었음을 확인할 수 있다. 하지만 하나의 좋은 제품을 위해 트렌드의 융합이 필요하다고 이야기하고 있다. 즉, 하나의 기술로 하나의 완성품을 만드는 것이 아닌 하나의 기술과 다른 여러 기술들의 융합을 통해 최상의 제품을 구현하는 것이 현재 혁신기술의 트렌드라고 할 수 있다.

 따라서 이번 기사에서는 신재생에너지관련 기술 중 많이 언급되었던 에너지 하베스팅 기술과 빛에너지의 한계점을 극복하기 위한 열전과 관련된 내용을 소개하고자 한다.

 에너지 하베스팅 시장의 경우 2012년 7억 달러에서 2017년에는 15억 달러까지 성장하였고 특히 무선, 핸드폰, 건강관리 분야에서 큰 성장을 보였다. 이 내용은 위에 제시한 6가지 트렌드의 융합과 밀접한 관련이 있다고 이야기할 수 있다.

                             [그림2 : 에너지 하베스팅 시장 성장규모]

출처 : IDTechEx Energy Harvesting Report

 기본적으로 에너지 하베스팅 기술에는 4가지 주요 고려사항이 있다.

 1. 주위 환경에서 이용 가능한 에너지로 결정해야 한다.

 2. 에너지 수확은 가능한 효율적이어야 하며 총 비용도 저렴해야 한다.

 3. 주변 에너지를 사용할 수 없는 시간을 고려하여 저장소 크기를 맞추어야 한다.

 4. 모든 작동 모드에서 적용 전력의 요구 사항을 계산해야 하며 사용 가능한 적용 전력을 에너지 하베스팅 입력 전원에 맞게 최소화해야 한다.

 위의 4가지 조건을 고려해야하는 이유는 에너지 하베스팅 기술을 구현하는 데에 다음과 같은 과정을 거치기 때문이다.

[그림3 : 에너지 하베스팅 기술 흐름도]

출처 : 연세대학교 이규형교수님 Energy Harvesting 강의자료

 연구자들은 위의 그림에서 보여주는 에너지 하베스팅 기술의 흐름에서 조금이라도 더 효율적인 에너지 활용을 위해 에너지 수집 방법 연구, 변환기술, 전력 조절 연구, 에너지 저장기술 연구, 저장된 에너지의 효율적인 사용을 위한 연구 등을 진행하고 있다.

 기본적인 에너지 하베스팅 기술 적용을 위한 에너지 원천으로는 빛, 진동, 압력, 온도차, 전자기, 무선 주파수가 알려져 있다.

[그림4 : 에너지하베스팅 기술의 대표적인 에너지 원천들]

출처 : 네이버 블로그, 에너지 재활용 1등공신! 에너지 하베스팅

 빛의 경우 광전지에 의해, 진동과 압력은 압전소자에 의해, 온도차는 열병합 발전기에 의해, 전자기와 무선주파수는 안테나에 의해 수집된다. 이렇게 수집된 에너지는 위에 소개한 에너지 하베스팅 기술 흐름도를 따라 실제 사용할 수 있는 전기 에너지로 전환되어 수확할 수 있다.

 각각의 대표적인 에너지 원천들은 에너지 밀도에서 차이를 보이고 장, 단점이 존재한다. 에너지 밀도란 단위 부피에 저장된 에너지이며 전지나 연료의 효율을 나타내는 지표이다. 따라서 전지와 연료의 효율을 중요시하는 에너지 하베스팅 기술에서는 높은 에너지 밀도를 가진 에너지 원천들이 중요하다고 할 수 있다.

 전자기의 경우 이제 기술 가능성을 검토하는 단계이며 고압전선이 많이 설치된 지역 등 자기장 환경에 적용될 수 있다는 점이 주목할 요소이다. 하지만 에너지 밀도가 낮다는 단점이 있다.

 무선주파수의 경우도 이제 기술 가능성을 검토하는 단계이며 통신기술이 고도로 발달되어가는 현재 발전 가능성에 주목하고 있다. 특히 무선전력전송 기술로까지 확장 가능하다는 전망도 있다.

 압전의 경우 기술개발은 많이 진행되었지만 제품화 실적 자체는 미비하다고 할 수 있다. 하지만 적용분야가 넓다는 장점이 있다. 대표적인 사례로는 영국의 전력회사 페이브젠은 전력 생산이 가능한 마루 타일 “페이브젠”을 2014년 영국 내 12개 학교에 보급하여, 학생들이 복도에서 뛰노는 것만으로도 전기를 생산할 수 있는 압전 에너지 하베스팅 시스템을 구축하였다. 또한 동일 시스템을 브라질의 리우데자네이루 빈민가에 설치하여 운동에너지를 이용해 불을 밝히는 축구장을 건설하였다.

[사진1 : 한국 지하철역 내부의 압전에너지 하베스팅]              [사진2 : 브라질 빈민가의 압전 이용 축구장]

                     출처 : 구글이미지(좌) / 위키트리(우)

 하지만 압전을 원천으로 한 에너지하베스팅의 효율성을 높이려면 분산된 진동이 고려되어야 하므로 효율성에 대해서는 조금 더 연구가 필요하다.

 빛의 경우 에너지 원천들 중 가장 대표적이고 높은 에너지 밀도를 보이며 현재 광(태양)전지모듈이 상당히 많은 연구가 진행되었고 많이 상용화 되어있어 가장 많이 에너지 하베스팅 기술에 쓰이는 에너지 원천이다. 하지만 내구성으로 인한 에너지 수확 시간의 제약, 에너지 저장과 소형화에 대한 문제점이 지적되었고 이 문제들을 해결하기 위해 다른 에너지 하베스팅 기술과 융합하는 시도가 필요하다고 분석되고 있다.

 그런 배경에서 등장한 것이 에너지 하베스팅 기술을 위한 에너지 원천으로서의 열전이다.

[사진3 : 세계에서 가장 오래된 원자력발전소, 스위스 베즈나우 원자로]

출처 : 위키피디아

 열전과 관련한 대표적 사례는 스위스의 베즈나우 원전이 있다. 원전의 전력생산 과정에서 소모되는 연간 150GWh 규모의 폐열을 지역 난방시스템을 통해 주변 11개 마을 1만 5000여명에게 공급하고 있다. 프랑스도 원전에서 나오는 폐열을 난방뿐 만 아니라 원예, 양식, 화훼 등에 폭넓게 활용하고 있다. 

  열전의 경우 큰 온도차에서 충분한 전력을 확보할 수 있다는 가능성이 검증되었고 광보다는 에너지 밀도가 낮지만 압전, 무선주파수, 전자기보다 에너지 밀도가 높은 점이 강점이다. 하지만, 작은 온도차에서 충분한 전력이 확보될 수 있는가에 대한 의문과 내구성 문제도 존재한다.

 열전 에너지 하베스팅도 단점이 존재하지만 빛 에너지 하베스팅 기술의 많은 연구에서 한계점을 보였기 때문에 열전에 대한 연구가 많이 진행되고 있는 상황이다. 그리고 앞으로 에너지 하베스팅 기술 역시 하나의 에너지 원천만을 이용하는 것이 아닌 기사 초반에 언급했던 6가지 트렌드를 융합하는 방식으로 진행될 것이라고 예측하고 있다.

구체적으로 열전에 대해 소개해 보면, 열전효과는 온도차와 전압의 상호 변환이라고 설명할 수 있다.

 [그림5 : 열전효과]

출처 : 연세대학교 이규형교수님 Energy Harvesting 강의자료

 위 그림이 열전효과의 대표적인 그림인데 원자 규모에서, 온도 차이로 인해 전하 캐리어가 고온 위치에서 저온 위치로 확산되며, 이 과정을 통해 전기 생성과 온도 측정 및 온도 변화를 가능하게 할 수 있다.

 열전현상의 대표적인 연구자로는 제백(seebeck)과 펠티어(peltier)가 있다. 이 연구자들의 이름을 따서 열전현상을 각각 제백 효과, 펠티어 효과라고 부르고 있다.

 먼저 제백 효과의 경우, 열전 효과 중 전기 생성을 가능하게 한다. 제백 효과는 온도차에서 전기로의 변환이므로 열에너지가 전기에너지로 전환되는 것이다.

 [그림6 : 제백 효과를 보여주는 열전모듈]

출처 : 전기의 세계, 제65권 제5호, 김성웅, 이규형, 2016, 열전발전 기술을 이용한 에너지 하베스팅

 위의 열전 모듈을 참고하면 열이 발생하고, N-type 열전재료에서 전자가 생성된다. P-type 열전재료에서는 정공(hole)이 생성된다. 생성된 전자와 정공은 확산되고(고온에서 저온으로), 그 반대 방향으로 전류가 생성된다. 이 과정으로 인해 열에너지가 전기에너지로 바뀐다.

 이와 반대 현상이 펠티어 효과이다. 펠티어 효과는 열전 효과 중 온도 변화를 가능하게 한다. 즉, 펠티어 효과는 전기에서 온도차로의 변환이므로 전기에너지가 열에너지로 바뀌게 되는 것이다.

 [그림7 : 펠티어 효과를 보여주는 열전모듈]

출처 : 전기의 세계, 제65권 제5호, 김성웅, 이규형, 2016, 열전발전 기술을 이용한 에너지 하베스팅

 위의 열전 모듈을 참고하면, 외부 전력 공급으로 전류가 발생하여 N-type 열전재료에서 전류의 반대 방향으로 전자가 이동하고, P-type 열전재료에서도 정공(hole)이 이동한다. 이동하는 전자와 정공은 열과 함께 이동하므로 열이 모듈 상부에서 하부로 이동하게 된다. 그래서 모듈의 상부는 저온으로, 상부는 고온으로 바뀌게 된다. 이 과정으로 인해 전기에너지가 열에너지로 전환된다.

[그림8 : 펠티어 효과 vs 제백 효과]

[출처 : 전기의 세계, 제65권 제5호, 김성웅, 이규형, 2016, 열전발전 기술을 이용한 에너지 하베스팅]

현재 제백 효과와 관련된 열전기술은 BMW 5-series의 엔진에 이용되고 있고 영화 마션에 나왔던 로버 역시 방사성재료의 열 방출로 인한 온도차를 전기에너지로 변환하는 제백 효과가 적용되었다고 할 수 있다.

 [사진4 : 영화 마션 속 로버]

출처 : 20세기 폭스

 결국 에너지 하베스팅을 위한 열전 연구는 열에너지를 전기에너지로 변환하는 제백 효과를 극대화하기 위한 연구로부터 시작된 것이라고 할 수 있다. 

 열전성능의 공식은 아래와 같으며 S로 표시되어 있는 제백 계수를 높여 열전성능을 극대화하여 더 효율 높은 에너지 하베스팅 기술을 구현할 수 있도록 노력하고 있다.

 [그림9 : 열전성능 공식]

출처 : 연세대학교 이규형교수님 Energy Harvesting 강의자료

  현재 과학기술은 융합에 의해 많은 발전을 이루고 있다. 기사 초반에 언급한 혁신기술을 이끄는 트렌드들도 서로 상호작용을 통해 하나의 훌륭한 제품을 만들어내고 그 과정을 통해 더 나은 제품과 기술로 발전해나가고 있다.

 에너지 하베스팅 기술도 친환경, 재생 가능한 에너지라는 혁신기술 연구 트렌드에서 시작되어 에너지 수집 방법 연구, 변환기술, 전력 조절 연구, 에너지 저장기술 연구, 저장된 에너지의 효율적인 사용을 위한 연구가 진행되었다. 그 결과로 광과 열전의 융합, 에너지 저장소, 변환기, 전력 조절을 위한 디바이스들의 소형화, 효율 극대화를 이루어내고 있다. 앞으로 에너지 원천으로서의 빛의 한계점을 극복하기 위한 열전 관련 연구에 기대감을 가져도 좋을 것이다. 

 

참고문헌

1) 에너지공학, 제25권 제4호, 윤진철, 주정명, 황종현, 박성진, 2016, 폐열에너지 하베스팅을 위한 열전모듈 발전특성 연구

2) 전기의 세계, 제65권 제5호, 김성웅, 이규형, 2016, 열전발전 기술을 이용한 에너지 하베스팅

3) 한국산업기술대학교 대학원 학위논문, 김현욱, 2017, 태양광-열전 하이브리드 에너지 하베스팅

4) 전기전자재료, 제25권 제2호, 강종윤, 조병진, 2012, 에너지 하베스팅 기술 ; 국내, 외 열전소자 연구동향

5) 재료마당, 제32권 제1호, 추승준, 손재성, 2019, 나노 구조 열전 소재의 최근 연구 동향

6) 연세대학교 Energy Engineering 수업 강의자료, 이규형, 2018, Energy Harvesting

7) Nicu Bizon, Energy harvesting and energy efficiency : technology, methods, and applications, springer, 2017

8) [Green Focus] Vol. 05 에너지 하베스팅, 나노 기술을 만나다

https://blog.naver.com/gtckrekr/220420678413

9) 에너지 재활용 1등공신! 에너지 하베스팅

https://m.post.naver.com/viewer/postView.nhn?volumeNo=15789891&memberNo=6411495&vType=VERTICAL