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[신기술]에너지 하베스팅, 4차산업 핵심 기술로 각광
2020-07-01

에너지 하베스팅, 4차산업 핵심 기술로 각광
산소로 충전하는 배터리부터 정전기 활용까지

이용되지 못하고 사라지는 에너지를 수집해 전기로 바꿔 쓰려는 개념이 바로 에너지하베스팅(Energy Harvesting)이다. 즉 태양이나 바람, 사람 등 자연에서 발생하는 에너지뿐만 아니라 인위적으로 발생시킨 각종 에너지 중 버려지는 에너지까지 전기로 변환 시켜 활용한다는 의미다. 특히 최근 코로나19 팬데믹으로 4차 산업혁명에도 속도가 붙으면서 기술에 대한 기대가 높아지고 있다. 에너지 효율을 높이고 에너지 공급 안정과 친환경 에너지 활용까지도 기대할 수 있기 때문에 다양한 분야에서 연구가 활발하다.
 
글 김수진 기자 자료협조 KAIST, 경희대학교, MIT, 영남대학교, 과학기술정통부
 
자동차를 운행하기 위해 연료를 넣었다고 가정해보자. 흔히 연료가 모두 운행에 사용될 거라 생각하지만 실제 운행에 사용되는 비율은 전체 연료의 18.2%에 불과하다. 나머지는 운행에 거의 사용되지 못한 채 사라진다. 스마트폰도 마찬가지다. 전파 에너지 중 고작 3%만 사용되고 나머지 97%는 공중으로 날아버린다. 그렇다면 이렇게 사용되지 못하고 버려지는 에너지를 활용할 수 있는 방법이 없을까? 이번 호에서는 에너지하베스팅 기술의 최근 동향을 살펴보았다.
 
산소로 충전되는 배터리 에너지 저장 소재 개발
전기 에너지의 효율적인 활용이 배터리 성능의 핵심인 만큼 이 분야에서 에너지하베스팅 연구는 활발하다. 그런 가운데 국내 연구진이 공기 중 널리 퍼져있는 산소로 충전되는 차세대 배터리인 리튬-공기 배터리의 에너지 저장 소재를 개발해 주목을 끌었다. 이 소재는 리튬-이온 배터리보다 약 10배의 에너지밀도를 얻을 수 있어 전기 자동차용 배터리에 널리 쓰일 것으로 기대된다. 이 소재의 개발은 KAIST 신소재공학과 강정구교수와 숙명여대 화공생명공학부 최경민 교수가 참여한 공동연구팀에서 이루어졌다.1)
 
연구팀은 소재 개발을 위해 원자 수준에서 촉매를 제어하는 기술로 기존의 나노입자 기반 소재의 한계를 극복했고, 금속-유기 구조체(Metal-Organic Frameworks, MOFs)를 형성해 촉매 전구체와 보호체로 사용하는 새로운 개념을 적용했다. 금속-유기 구조체는 1 g만으로도 축구장 크기의 넓은 표면적을 갖기 때문에 다양한 분야에 적용 가능한 신소재다. 이와 함께 물 분자의 거동 메커니즘을 규명해 물 분자를 하나씩 제어하는 기술도 함께 활용했다.
 
그 결과, 합성된 원자 수준의 전기화학 촉매가 금속-유기 구조체의 1 ㎚ 이하 크기의 기공 내에서 안정화가 이뤄져서 뛰어난 성능으로 에너지를 저장한다는 사실을 밝혀냈다.
 
리튬-이온 배터리는 에너지밀도의 한계로 인해 전기자동차와 같이 높은 에너지밀도를 요구하는 장치들의 발전 속도를 따라잡지 못하고 있다. 이를 대체하기 위해 다양한 종류의 시스템들이 연구되고 있다. 이들 가운데 리튬-공기 배터리는 가장 유력한 후보로 꼽힌다. 다만 리튬-공기 배터리는 사이클 수명이 매우 짧아서 이를 개선하기 위해 공기 전극에 촉매를 도입하고 촉매 특성을 개선하려는 연구가 활발히 진행되고 있다.
 
리튬-공기 배터리의 사이클 수명이 짧아지는 원인은, 촉매의 경우 크기가 1 ㎚ 이하로 작아질 경우 서로 뭉치는 현상이 발생하기 때문이다. 공동연구팀이 원자 수준의 촉매 제어 기술을 도입해 사이클이 3배 정도 증가하는 결과를 얻었다. 연구팀은 물 분자가 금속-유기 구조체의 1 ㎚ 이하의 공간에서 코발트 이온과 반응해 코발트 수산화물을 형성함으로써 그 공간 내부에서도 안정화를 이루도록 했다. 안정화가 이뤄진 코발트 수산화물은 뭉침 현상을 방지했고, 원자 수준의 크기가 유지되면서 리튬-공기 배터리의 사이클 수명 또한 크게 개선됐다.
 
강정구 교수는 원자 수준의 촉매 제어 기술이 “수십만 개의 금속-유기 구조체의 종류와 구현되는 촉매 종류에 따라 다양화가 가능하다”고 지적하면서 “원자 수준의 촉매 개발뿐만 아니라, 다양한 소재개발 연구 분야로 확장할 수 있다”라며 연구의 의의를 밝혔다.
금속-유기 구조체를 통과한 물이 원자 수준의 촉매를 기공 내에서 생성하고 안정화하는 과정을 나타낸 개략도

정전기를 전기로…공정 쉽고 활용도 높아
정전기는 일상생활에서 가장 친숙하게 만날 수 있는 전기에너지다. 인체에 해를 끼치지 않지만 그 전압은 수만 볼트에 이른다. 그런데 이런 정전기를 활용하기 위한 연구가 있어 시선을 끈다.
 
정전기는 고체 간 접촉뿐만 아니라 액체와 고체가 접촉할 때도 발생한다. 대신 고체 간 접촉으로 발생하는 정전기보다 그 양이 매우 적다는 한계가 있다. 그런데 마침, 최동휘 경희대 기계공학과 교수연구팀이 이 같은 한계를 효과적으로 해결하는 방법을 찾았다. 고분자 재료 표면에 전하를 안정적으로 삽입하는 기술을 개발해 기존보다 많은 양의 에너지를 얻을 수 있게 됐다. 한마디로, 물방울이 에너지 수확소자에 닿아 움직이면 정전기가 발생해 에너지가 모이는 구조다.2)
 
연구팀에 따르면, 기존에는 수확소자 표면에 굉장히 작은 돌기를 만들어 에너지를 높일 수 있다는 연구결과가 많았지만, 돌기를 만드는 것이 어렵고 투명하지 않다는 단점이 있었다. 연구팀은 돌기를 형성하기보다 임의로 전하를 삽입하는 방식으로 실험을 진행했다. 그 결과 지금까지 한 번도 보고된 바가 없을 정도로 굉장히 높은 에너지값을 도출했다. 이를 통해 투명하고 쉽게 휘어질 수 있는 에너지 수확장치(혹은 자가발전센서)를 개발하게 됐다.
 
세계 최초로 개발된 이번 연구 성과는 에너지 수확장치뿐만 아니라, 센서로도 사용할 수 있다. 농도에 따라 나오는 전기 에너지가 다른 점을 활용하면 용액의 용도를 검출할 수 있는 센서로 활용할 수 있다. 뿐만 아니라 투명한 성질을 이용해 태양광 발전 패널 위에 붙여 비가 내릴 때 에너지를 수확할 수도 있다.
 
공정이 쉽다는 장점도 갖췄다. 연구진은 일반 고분자 필름과 같은 소재가 있을 때 기존에 널리 알려진 기술을 이용해 높은 에너지를 얻을 수 있는 만큼 활용방안이 무궁무진할 것으로 기대했다. 이에 따라 활용방안을 높이는 방향으로 후속 연구가 진행 중이다. 연구진은 “빗방울이 닿았다 떨어지는 현상을 최대한으로 응용할 수 있는 소자를 제작해 장점을 최대화“하는 연구를 이어가겠다고 밝혔다.
에너지 수확소자 표면에 전하를 삽입해 에너지를 얻는 구조

와이파이로 스마트폰 충전한다고?
일상에서 흔히 사용하는 와이파이(Wi-Fi)로 스마트폰을 충전할 수 있는 기술도 속속 개발되고 있다. 2019년 1월 미국 MIT 마이크로시스템 기술 연구소(MTL)의 토머스 팔라시오스(Tomas Palacios) 교수팀(전기컴퓨터공학과)이 무선랜으로 스마트폰을 충전할 수 있는 정류 안테나를 발표했다.
 
잘 알려진 바와 같이, 와이파이 신호는 교류 전자기파다. 정류 안테나가 있으면 이를 직류 전기로 바꿀 수 있다. 정류 안테나에는 실리콘(Si)이나 갈륨비소(GaAs) 등이 재료로 사용된다. 그러나 이들 재료는 딱딱한 성질을 가지며 대단위 규모로 제작하기에는 매우 비싼 단점이 있다. 그리고 대개 낮은 주파수대에서 작동해 충분한 에너지를 얻기에는 한계가 있었다.
 
팔라시오스 교수의 연구팀은 유연(Flexibls)하면서 기가헤르츠 수준의 고주파 신호를 전기에너지로 정류하는 기술을 개발했다. ‘렉테나'(Rectenna)3)로 명명된 이 기술에는 화학물질과 만나면 금속의 특성을 가지게 되는 이황화몰리브덴(MoS₂)이라는 유연한 반도체 소재가 사용됐다. 그 결과, 렉테나는 대역폭이 비교적 넓고, 정류 속도가 빨랐다. 더구나 유연하기 때문에 활용도 역시 매우 높게 평가됐다. 단, 전기 생산 효율이 다소 떨어진다는 점은 지속적인 보완 연구를 필요로 했다.
 
MIT의 또 다른 연구팀은 올해 3월에 티-레이(T-ray)라고 불리는 테라헤르츠급 고주파 전자파를 에너지원으로 활용하는 기술을 발표하기도 했다. 티-레이는 우리 몸과 주변의 무생물 등 열을 발생하는 거의 모든 것에 의해 생성된다. 그러나 종전까지 티-레이를 포착해 전기로 변환하는 실질적인 방법이 없었다.
 
그런데 MIT 재료연구소(Materials Research Laboratory: MRL)의 히로키 이소베(Hiroki Isobe) 박사 후 연구원 등이 참여한 공동연구팀이 그래핀을 활용하는 방안을 제시했다. 연구자들은 붕화질소 층 맨 위에 놓인 작은 사격형 그래핀으로 이루어진, 그리고 주변의 테라헤르츠 전자파를 모아 집중시키고, DC 전류로 전환할 만큼 그 신호를 충분히 활성화하는 안테나에 끼우는 테라헤르츠 정류기를 설계했다. 연구팀은 고주파 정류기 설계에 대한 특허를 출원했다. 여전히 실온에서 작동하기 위한 연구가 필요하지만, 이소베 연구원은 가까운 미래에 테라헤르츠 정류기가 체내에 이식된 의료기기에 전력을 공급하거나 개인용 휴대 장치의 배터리를 충전하는 용도로 사용될 것이라고 전망했다.
 
와이파이 신호를 직류전기로 바꿀 수 있는 정류 안테나를 개발한 MIT

자기장을 전기로 바꾸어 IoT 활용 높인다
에너지하베스팅이 각광받는 이유 중 하나는 바로 4차 산업혁명에서 주요하게 쓰이는 기술이기 때문이다. 특히 모든 사물이 연결 돼 실시간으로 정보를 주고받는 사물인터넷(IoT) 기술의 경우, 자율 독립 전원은 필수다. 기존의 배터리는 충전이 필요하거나 주기적으로 갈아주어야 하는 번거로움이 있다. 따라서 버려지는 에너지를 전기에너지로 변환해 IoT에 필요한 수많은 센서 등 각종 장치의 전원으로 사용한다면 매우 효과적일 것이다.
 
2018년 4월, 영남대학교 류정호 교수 연구팀이 인체에 유해한 것으로 인식돼 왔던 자기장 노이즈4)를 활용해 전기로 변환하는 기술을 발표해 눈길을 끌었다. 과학기술정보통신부는 이 기술과 관련해 실제 IoT 무선센서 네트워크의 자율 독립전원으로 상용화가 가능한 수준이라고 평가했다.
 
류정호 교수팀이 개발한 이 기술은 자기장 변화에 따라 늘어나거나 줄어드는 금속 소재(자왜금속소재5), Ga-Fe 합금)와 변형이 생기면 전기에너지를 발생시키는 압전소재6)를 결합해 일상의 자기장 변화를 전기에너지로 변환한다. 이 기술에는 압전소재와 자왜금속소재의 결정방향에 따라 그 특성이 달라지는 원리가 활용됐다. 연구팀은 자기장에 가장 민감하게 변화하는 결정방향으로 두 소재를 제작한 뒤, 이를 하이브리드 인터페이스 기술로 결합해 에너지 변환 소자를 설계했다. 이 소자는 IoT 무선 센서를 배터리 없이 지속적으로 구동하는 데 충분한 수준인 ㎽ 이상의 직류 전력을 발생시켰다고 한다.7)
 
자율 독립전원에 적용된 에너지 변환 소자의 개념도(게재 학술지 Energy & Environmental Science지의 전면 표지 그림). 자기장에 의해 변형이 일어나는 자왜 금속 소재(하단의 판재)와 변형에 의해 전기에너지가 발생하는 압전 소재(상단의 원자 구조가 도시된 판재)가 하이브리리 인터페이스 결합 현상을 이용해 일상의 자기장 노이즈를 전기에너지로 변환 시킬 수 있다.
자율 독립 전원을 사용해 구성된 전력 인프라 구조 건전성 진단 시스템의 개념도. 전력선로 중 고장이 발생할 수 있는 곳에 구조진단 무선센서 네트워크를 설치하고 개발된 자율 독립전원 모듈로 센서와 무선통신 모듈을 구동한다. 실시간 진단된 건전성 데이터를 무선으로 전송해 이를 분석하면 선로의 불량 가능성을 예측할 수 있다(본 연구의 선행연구를 게재한 영국 왕립화학회(RSC) 학술지 <지속가능 에너지와 연료>(Sustainable Energy & Fuels) 2017년 12월호 표지 그림)

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1) 이 연구는 과학기술정보통신부의 글로벌프론티어사업 및 수소에너지혁신기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다. KAIST 신소재공학과 최원호 박사과정이 제1 저자로 참여했으며, 재료 분야의 국제 학술지인 <어드밴스드 사이언스>(Advanced Science) 5월 6일 자에 “Autogenous Production and Stabilization of Highly Loaded Sub?Nanometric Particles within Multishell Hollow Metal?Organic Frameworks and Their Utilization for High Performance in Li?O2 Batteries”라는 제목으로 게재됐다.
2) 연구 결과는 물리 화학 분야의 학술지 <나노에너지>(Nano Energy) 온라인판에 “Monocharged Electret Based Liquid-Solid Interacting Triboelectric Nanogenerator for its Boosted Electrical Output Performance”라는 제목으로 게재됐다
3) rectifier(정류기)와 antenna(안테나)를 합성한 말)
4) 전력선, 전자기기 등에서 발생하는 불필요한 전자기 신호. 전기가 흐르는 도체 주변에는 항상 자기장 노이즈가 발생
5) 자기장의 변화에 따라 변형이 발생하거나, 압력을 주었을때 자기적 특성이 변화하는 소재
6) 압력이 인가되었을 때 전압이 발생하거나, 전압을 인가하면 변형이 발생하는 소재
7) 이 연구는 과기정통부 글로벌프런티어사업을 중심으로, 창의형 융합연구사업, 재료연구소 주요사업의 지원을 받아 수행되었으며, 학술지 <에너지와 환경과학>(Energy & Environmental Science) 2018년 4월호 표진 논문으로 게재됐다. 

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