플렉시블을 넘어 웨어러블까지 : 에너지 하베스팅과 패션산업

플렉시블을 넘어 웨어러블까지 : 에너지 하베스팅과 패션산업

대학생신재생에너지기자단 15기 김상재, 나혜인 단원

 

#혁신 기술을 이끄는 트렌드 : 융합 

 

 우리에게 “혁신 기술을 이끄는 트렌드가 무엇인가”라고 묻는다면 하나를 꼽아 답변하기 어렵다.

 하지만 그 트렌드 중 하나는 분명 친환경적이고 재생 가능한 에너지 관련 내용이 있을 것이라고 말할 수 있을 것이다. 

 

 CYMBET사에서 주최한 컨퍼런스에서 역시 친환경, 신재생에너지가 혁신 기술의 트렌드 중 하나로 언급되었음을 확인할 수 있다.

 여기서 중요한 점은 하나의 기술로 하나의 완성품을 만드는 것이 아닌 하나의 기술과 다른 여러 기술의 융합을 통해 최상의 제품을 구현하는 것이 현재 혁신기술의 트렌드라고 할 수 있다.

 

[자료1. Key Trends Driving Innovation]

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

 

 따라서 이번 기사에서는 신재생에너지 관련 기술 중 많이 언급되었던 에너지 하베스팅 기술과 웨어러블 기술의 융합에 관해 이야기해보려 한다.

 

#에너지 하베스팅이란 

 

 에너지 하베스팅이란 태양광 발전처럼 개별 장치들이 자연적인 에너지원(태양광, 진동, 열, 바람 등)으로부터 발생하는 에너지 혹은 주변에 버려지는 에너지들(빛, 운동에너지 등)을 모아 저장하여 전력으로 변환하는 기술이다. 이 전력원은 웨어러블 전자기기 또는 무선 센서 네트워크등의 유용한 전력원이 된다.

 태양광선, 실내 조명광과 가전기구, 바람, 교량의 진동, 사람의 움직임, 자동차의 진동과 폐열, 그리고 방송 전파에 이르기까지 다양한 에너지원을 활용할 수 있다.

[자료2. 에너지 하베스팅 기술의 대표적인 에너지 원천들]

출처 : 네이버 블로그, 에너지 재활용 1등 공신! 에너지 하베스팅

 

 최근 늘어나는 소형·무선 전자기기의 전원 공급 문제를 해결할 수 있는 대안으로 ‘에너지 하베스팅’이 주목되면서, 세계 각국을 비롯하여 국내 다양한 연구기관에서 활발히 연구가 진행되고 있다.

 또한 현재, 에너지 하베스팅 소재 기술 발전으로 출력 에너지는 기대 이상 증가하고 있고, 전자기술의 소형화, 집적화, 그리고 배터리의 사이즈 및 용량의 한계로 인해 향후 에너지 하베스팅에 대한 수요는 급증할 것으로 예상된다고 전문가들은 말하고 있다. 

 

 2012년 영국의 글로벌 시장조사 기관(IDtechEx)에서 발표한 보고서, ‘전자기기를 위한 에너지 수확과 저장(Energy Harvesting and Storage for Electronic Devices 2012-2022)’에 따르면 에너지 하베스팅 시장은 2012년도 7천억 원에서 2022년 5조 원 시장으로 성장할 것으로 전망하고 있다. 

[자료3. 에너지 하베스팅 기술 시장 전망]

출처 : IDtechEX, 그래프는 직접 제작

 

 또한 2022년 에너지 하베스팅 기술별 전 세계 시장 점유율은 태양전지 기술이 46.6%로 가장 크게 에너지 하베스팅 시장에 사용될 것으로 예상되며, 전자기, 압전, 열전 에너지 하베스팅 기술이 큰 차이 없이 약 23%에서 14% 정도로 전체 에너지 하베스팅 기술로 적용될 전망이다.

 

#에너지 하베스팅 기술의 원천 : 소자 

 

 이번 글에서는 에너지 하베스팅 소자를 크게 환경 에너지와 인체 에너지로 구분하였다. 환경 에너지는 자연적, 인공적 에너지를 모두 포함하며, 구체적인 에너지원은 크게 빛, 열, 기계적 운동, 전자기파, 생물학적 에너지로 분류하였다.

소자	대표적 에너지원	기타
빛	태양광, 실내조명 등	온도 차로 인해 열이 이동할 때 발생하는 에너지를  전기에너지로 변환시키는 원리
열	자동차, 선박, 제철, 제강, 시멘트, 제지, 소각장, 발전소 등의 산업폐열의 재활용, 사람의 체온과 외부 온도차를 활용
기계적 운동	진동, 압력, 충격 등을 활용하는 것으로 바람, 물결, 파도, 조수, 소리 등 자연에너지와, 자동차나 교량의 진동, 수력발전소의 위치에너지, 혈류, 심장박동, 근육의 수축 및 이완, 눈의 깜박임 등에서 발생하는 운동에너지
전자기파	공기 중에 무의식적으로 흘려보내는 전자파들을 모아 활용하는 것  (예: 스마트폰, 방송 전파 )	단시간 동안 사용할 수 있는 소규모 전자기기의 훌륭한 독립 에너지원으로 활용

[자료4. 에너지 하베스팅 소자 분류]

출처 : 직접 제작

 

 이상의 에너지 하베스팅 소자를 바탕으로 현재 가장 많이 활용되고 있는 에너지 하베스팅 기술은 압전효과, 열전 효과, 광전효과, 전자기장 효과, 전자기 유도 효과 등의 다섯 가지 물리 현상을 이용하는 것으로 나타났다.

 

#웨어러블 제품화가 가능한 에너지 하베스팅 기술 

 

 웨어러블 제품화가 가능한 대표적 에너지 하베스팅 기술인 열전, 압전, 마찰 전기, 광전, 전자기파로 분류하고 각각의 원리와 특성을 살펴보려고 한다.

 

1) 열전

 열전은 제백효과(Seebeck effect ; 온도 차가 클수록 센 전기 생산 가능)와 그 반대인 펠티에 효과(Peltier effect ; 전류를 흘려주면 시료 양단에 온도 차이가 발생하는 현상) 등을 바탕으로 열에너지를 전기에너지로, 전기에너지를 열에너지로 직접 변환시키는 기술이다.

 열전 기술을 활용할 수 있는 대표적 에너지원은 자동차를 비롯한 선반, 제철, 시멘트, 제지, 소각장 등 산업 폐열의 재활용 그리고 사람의 체온과 외부 온도 차이 활용 등이 있다.

 

2) 압전

 압전체에 기계적 변형이 인가되면 전기에너지가 발생하는 효과를 이용하여 주위에 버려지는 힘이나 압력, 진동 같은 에너지를 전기에너지로 변환할 수 있으며 이 현상을 ‘압전효과’라 한다.

 압전에너지 하베스팅은 변환효율이 크고 소형, 경량화가 가능하다는 장점으로 각종 센서, 무선 모바일 소형 전자기기에 적합한 대체 에너지원으로 활용 가능하다. 또한, 압전기술을 활용한 에너지 하베스팅은 주변에 흔하게 존재하고 버려지는 소음, 진동, 마찰 에너지원을 기반으로 전기에너지를 생성하기 때문에 날씨나 시공간의 제약이 없고 인간 친화적이라는 측면에서 더욱 주목을 받고 있다.

 

3) 마찰전기

 마찰 전기 에너지 하베스팅 기술은 가장 최근에 연구가 시작된 분야로서, 서로 다른 마찰 전극을 갖는 두 물질 사이를 접촉·분리 또는 상대적 슬라이딩을 통한 마찰 대전과 정전기 유도 사이의 결합 효과를 사용하여 기계적 에너지를 전기에너지로 변환하는 기술이다.

 정전기 현상은 전자소자의 신호전달에 있어서 잠재적 위험이 있고, 주위 환경에서 잠재적인 위험 요소로 여겨지는 현상이 있지만, 서로 다른 정전기적 특성을 띠는 두 개의 물질 사이에서 일어나는 정전기(electrostatic) 분극 현상과 마찰 전기 현상을 커플링 하여 전기를 생성해내는 새로운 에너지원으로 주목받고 있다. 또한 소자의 개발이 간단하고 경제적일 뿐만 아니라 압전 에너지에 비해 높은 전압을 생성해 내는 특성을 가지고 있어서 이 분야에 대한 관심이 더욱 커지고 있다.

 

4) 광전

 광전효과는 금속 등이 고에너지 전자기파를 흡수할 때 전자를 내보내는 현상으로 태양전지에 많이 사용되는데, 다른 성질을 가진 P형과 N형 반도체를 접합해 만든다.

 또한, 태양광 에너지 하베스팅 시스템은 광발전(Photovoltaic: PV) 원리에 따라 솔라셀(Solar cell)을 사용하여 태양 빛을 전력으로 직접 변환한다. 솔라셀 에너지 하베스팅 효율을 높이기 위하여 최대 전력 추적 기술(Maximum Power Point Tracking: MPPT)이 사용된다.

 

5) 전자기파

 전자파 에너지 하베스팅은 우리 주변의 수많은 ‘전자파 에너지’를 모아 재활용하는 것이다. 우리 곁에 항상 두고 있는 스마트폰이나 방송 전파 등을 통해 공기 중에서 무의식적으로 흘려보내는 전자파들을 모아 활용한다면 단시간 동안 사용할 수 있는 소규모 전자기기의 훌륭한 독립 에너지원으로 활용이 가능하다.

 전자기파 효과는 파장이 1㎜~100㎞ 범위, 즉 진동수 3㎑~300㎓까지의 전자기를 이용한 무선 통신을 뜻한다. 전자기파를 이용한 무선 네트워크는 공기 속에 전자기파의 잔여물을 남기는데, 대부분 효율적으로 사용되지 못하고 공기 속에 버려지고 있다. 이러한 전자기파를 모아서 에너지를 생산해내는 물리적 기술을 전자기파 에너지 하베스팅이라고 한다.

 

 이러한 웨어러블 에너지 하베스팅 기술은 인체의 움직임에서 발생하는 진동, 압력, 열, 마찰력 등의 에너지를 사용 가능한 전기에너지로 변환시키는 기술로 기능성 의복, 스마트워치와 같은 웨어러블 전자기기(Wearable Electronics)의 주전원 혹은 보조전원으로 사용될 수 있다.

 

 최근 상용화되고 있는 스마트워치, 신발, 모자, 가방, 주얼리, 옷 등의 다양한 스마트 패션 제품에서 나타나듯이 디지털 기술은 자연스럽고 편리하게 실생활에 적용되고 있다. 추후 더욱 가속화될 스마트 웨어러블 패션 시장에서 에너지 하베스팅과 웨어러블 기술의 융합은 시대적 트렌드를 선도하며 지속 가능한 친환경 에너지라는 새로운 고부가가치를 창출할 수 있는 사용자 중심 산업으로 성장하고 있다.

 

#웨어러블 에너지 하베스팅 기술의 패션 산업 확장

 

1) 열전 에너지 하베스팅 패션 제품 

열전 에너지 하베스팅 패션제품은 사람의 체온과 외부환경의 기온 차에 의해 발생하는 열에너지를 전기에너지로 전환하는 기술로 (참고 : 김상재 단원 '열전이 뭐야 : 에너지 하베스팅 기술의 유용한 원천' 기사, https://renewableenergyfollowers.org/2695) 의류보다는 플래시 라이트, 침낭, 신발, 시계, 탁자 등 다양한 액세서리 및 인테리어 제품으로 나타났다.

 

[자료5. Vodafone사의 POWER POCKET]

출처 : Vodafone 공식 홈페이지

 

 또한 신체의 열에너지로부터 전기 에너지를 얻을 수도 있다. 우리 몸이 움직일 때뿐만 아니라 가만히 있어도 몸에서 발생하는 열이나 호흡 등을 통해서도 에너지가 생성되는데 통신사 회사 보다폰(Vodafone)에서는 이런 에너지를 잡아둘 수 있는 바지와 조끼를 선보였다. 

 이 제품을 하루 동안 입고 있으면 스마트폰을 4시간 이상 충전할 수 있는 전기가 발생하므로 파워 포켓이 사람 몸에서 나오는 열을 전기로 바꾸며, 생성된 전기를 스마트폰을 충전하는 데 사용할 수 있다. 

 

2) 압전 에너지 하베스팅 패션 제품 

압전 에너지 하베스팅 패션제품은 크게 소리, 진동, 압력, 물리적 힘 등에서 발생하는 에너지를 활용한 기술에 따라 의류, 신발, 마스크, 바닥재, 가방 등 다양한 아이템으로 분류할 수 있다. 

 

[자료6. 압전 소자가 내장된 신발]

출처 : Georgia Institute of Technology

 

  압전 세라믹 기반 소자를 신발 밑창에 깔아 두어 한 걸음 걸을 때마다 일정량의 전기를 발생시킬 수 있으며 영국의 Pavegen사는 압전 블록을 기반으로 삼성, 구글, 현대, 코카콜라, 미쓰비시 등 다양한 기업들과 압전 하베스팅 기술 기반으로 여러 분야로 진출하고 있다.

  우리나라의 부산 서면역에 시범적으로 설치된 압전 블록이나, 일본의 개찰구에 설치된 압전 마루 등 다양한 압전 블록이 실생활에서 사용되고 있다. 

 

3) 마찰 전기 에너지 하베스팅 패션 제품 

 마찰 전기 에너지 하베스팅 패션 제품은 다른 하베스팅 기술에 비하여 가장 최근에 연구되어 왔음에도 불구하고, 신발, 의류, 텍스타일, 공, 손목밴드 등 다양한 제품들로 개발되고 있다. 압전과 마찬가지로 기계적 움직임과 진동에 의하여 발생하는 에너지를 활용한다.

 바람 등의 외부적 자극을 통해 마찰 전기가 일어나면 섬유 내부의 나노 사이즈 크기의 발전기가 전기를 발생시키는 것이다. 

 

[자료7. 마찰 전기를 이용한 섬유]

출처 : Nature Energy

 

4) 태양광 에너지 하베스팅 패션제품 

 태양광 에너지는 가장 기술 성숙도와 활동도가 높은 빛 에너지로 모자, 헤드셋, 선글라스, 가방, 팔찌, 시계, 목걸이, 부채, 우산, 티셔츠, 재킷, 가리개 등 다양한 액세서리와 의류로 개발되고 있다. 

 

[자료8. 태양전지를 디자인으로 이용한 티셔츠]

출처 : liselotte fleur Photography

 

  위 그림의 티셔츠는 120개의 얇은 태양전지를 활용하여 디자인화 시킨 제품이다. 이 태양전지를 통해 생선된 전기로 전자기기를 충전할 수 있다고 한다.

  현재 기술 성숙도가 높고 가장 많은 상용화가 이루어진 에너지 하베스팅 기술은 태양전지로 아웃도어 재킷을 비롯하여 다양한 의류, 액세서리 전반에 적용·개발되어 상용화되고 있다.

 

#에너지 하베스팅 패션 산업의 미래 

 

 최근 에너지 하베스팅은 한 가지 기술로만 이루어지는 것이 아니라 태양광과 압전, 압전과 마찰 전기, 열전과 압전 등 두 가지 이상의 기술이 융합하여 시너지 효과를 낼 수 있는 연구로 진화하고 있다.

 더하여 웨어러블 에너지 하베스팅 기술이 일상에서 보편적 특별함을 지닌 친숙한 습관으로 다가오는 스마트 테크놀로지 트렌드, 일상의 건강과 웰빙을 추구하며 여가활동에 대한 높은 관심으로 부각된 에슬레져 트렌드, 그리고 친환경적 고부가가치의 그린디자인을 추구하는 지속 가능 트렌드 등 시대적 메가트렌드에 부합한다면 더 큰 발전 가능성과 잠재력을 기대할 수 있을 것이다. 

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참고문헌

[1] 서성은, 노정심 (2017), 에너지 하베스팅 패션제품 개발 현황, 한국패션디자인학회지, 17:4, 19-38

 

[2] Bai, Yang et al (2018), Energy Harvesting Research: The Road from Single Source to Multisource, Advanced Materials, Volume 30, Issue 34

 

[3] Huang, Liang et al (2020), Fiber‐Based Energy Conversion Devices for Human‐Body Energy Harvesting, Advanced Materials, 02/2020, Volume 32, Issue 5

 

[4] Pu, Xiong et al (2018), Toward Wearable Self‐Charging Power Systems: The Integration of Energy‐Harvesting and Storage Devices,

Small, Volume 14, Issue 1