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압전 하베스팅(Piezoelectric Energy Harvesting)으로 보는 친환경 에너지의 미래

2015.02.02 10:52

 


안녕하세요? 대학생 기자단 정지인입니다. 

사람이 걸어가면 이에 맞춰 가로등이 켜지는 길을 걸어본 적이 있나요? 최근 이러한 가로등이 실제로 설치되고 있는데요. 유동인구가 많은 지역에 압전(壓電, 물체에 힘을 가하여 순간에 전압을 일으키고, 그 전압으로 인해 전기적인 신호가 발생하는 것)판을 설치해 사람들이 걸으며 바닥을 누르는 힘을 에너지화하는 압전 하베스팅(Piezoelectric Energy Harvesting)이 바로 그 예입니다. 


이는 소모되는 기계적 에너지를 무한한 전기 에너지원으로 전환하는 새로운 에너지 개념이라 할 수 있죠. 오늘은 압전 에너지의 다양한 사례와 함께 압전 에너지의 원리, 발전 전망을 통해 친환경 에너지 사업의 미래를 함께 살펴보겠습니다.

 

압전 에너지는 인도나 차도 밑에 압전판을 설치하여, 낮 동안 사람이 발로 압전판을 누르는 힘을 에너지원으로 축적해 이를 가로등의 전원으로 사용하는 방식입니다. 친환경적일 뿐 아니라 효율적인 에너지 활용의 새로운 가능성을 보여주고 있는 것입니다. 아래의 영상을 통해 압전 에너지의 구체적인 장점을 확인할 수 있습니다.


       

< 압전 소자를 도로에 매설하는 압전 에너지 하베스팅 >


이처럼 압전 에너지는 압전 소자를 도로에 매설하여 차량 통행으로 발생하는 압력을 전력으로 전환하여 전원으로 활용합니다. 이렇게 되면, 이산화탄소 발생이 없는 도로를 구현할 수 있게 됩니다. 또한, 고속도로에도 확대 설치 함으로써 신호등뿐만 아니라 가로등에도 반영구적인 전력을 공급해 유기적으로 에너지를 순환시킬 수 있습니다. 또한, 압전 에너지는 진동을 이용하기 때문에 미세한 진동만 있어도 전기에너지로 변환하여 저장할 수 있습니다. 이는 최근 주목받는 태양광이나 풍력과 같은 친환경에너지와는 다른 방식의 친환경 에너지 생산이 가능한 것입니다.

 

압전 하베스팅은 압전기 현상을 나타내는 ‘압전 소자(Piezoelectric element)’를 이용해 물리적인 에너지를 모으는 기술입니다. 소자가 가진 양자의 특성으로 전기가 발생하게 되고, 전기장이 형성되어 에너지가 발생하게 되는데요. 최근에는 물리적인 압전 에너지를 전기적인 에너지로 바꾸는 에너지 변환을 이용하여, 다양한 하베스팅 기술로 효율적인 에너지 활용을 위한 연구가 계속되고 있습니다. 


그 방법에는 태양광을 이용한 태양발전, 기계적인 에너지를 이용한 압전발전, 기계적인 운동과 전자기적현상을 이용한 발전, 폐열을 이용한 열전발전 등이 있는데요. 그렇다면 국내외에서 이러한 압전 하베스팅 기술들은 어떻게 적용되고 있을까요? 몇 가지 사례를 통해 알아보도록 하겠습니다.


1) 페이브젠(Pavegen), 압전으로 브라질 빈민가의 불을 밝히다

영국의 에너지 회사인 페이브젠(Pavegen)은 최근 브라질 리우데자네이루의 빈민가에 특별한 축구장을 개설했습니다. 뛰어노는 아이들의 운동에너지를 전력으로 전환하여 빈민가의 불을 밝히는 축구장인데요. 낮 동안 운동장에 설치된 200개의 타일과 축구장 주변에 설치된 태양 에너지 패널이 함께 에너지를 모으게 됩니다. 이렇게 생산된 전력이 축구장에 설치된 6개의 LED 조명등에 불을 밝히게 되는 것이죠.


< 압전 하베스팅 이용한 Pavegen의 축구장(출처: pavegen.com) >


사람의 힘으로 움직이는 축구장. 압전 소자를 활용한 하베스팅은 이렇게 아이디어와 만나 사회 곳곳에서 작지만 큰 변화를 만들어 가고 있습니다. 페이브젠의 CEO인 로렌스 캠벨 쿡은 “사람들이 에너지를 보는 관점이 바뀌길 희망한다”고 말했는데요. 이렇게 페이브젠은 효용가치가 큰 에너지 사업에 사회적인 의미를 더하며 실생활에서 과학을 경험할 기회를 제공하고 있습니다. 주어진 자연환경에 따라 적합한 방법을 선택, 적용할 수 있다는 압전 하베스팅의 장점을 이용해 그 적용분야를 넓히며 발전하고 있는 것입니다.


2) 기계연구원, 무전원 인공기저막 첫 개발

국내에서도 새로운 시도가 일어나고 있는데요. 최근 기계연구원에서는 생체를 모사한 ‘무전원 인공기저막’ 개발에 성공했습니다. 세계 최초로 귓속 달팽이관을 모사해 소리 감지 기능을 구현해 내는 소자를 만들어낸 것인데요. 이 혁신적인 개발에도 압전 하베스팅이 숨어있습니다. 바로 청신경을 자극하는 인공 기저막의 원리에서 찾아볼 수 있습니다. 실로폰과 유사한 사다리꼴 모양의 ‘나노압전소자’가 인공 기저막을 통해 주파수 성분을 분리하고, 그 신호를 전기신호로 변환해 자체적으로 청신경을 자극하게 됩니다. 자극된 청신경으로 소리를 들을 수 있게 되는 것이죠.

 

< 기계연구원의 무전원 인공와우 개념도(출처: http://scienceon.hani.co.kr) >


생체모사기술과 나노압전소자의 결합은 청각장애인들이 외장형 인공와우로 겪는 불편함을 줄여주며 새로운 발전의 발판을 마련하고 있습니다. 체내이식이 가능하다는 장점으로 장애를 노출하지 않을 수 있고, 무엇보다도 자체적인 에너지 소비로 전력 소모가 적어 배터리를 자주 교체할 필요가 없습니다. 이렇게 압전 소자는 의료 분야에서도 사회적인 기여하고 있는데요. 무전원 인공와우에 적용된 압전 기술은 에너지 수확소자, 수중 음향센서와 특수 음향분석기 등 다양한 분야에서도 사용할 수 있어 세계 시장에서도 그 기술 경쟁력을 확보해 나갈 것입니다.

 

그린 IT는 전 세계가 주목하는 21세기 에너지 사업입니다. 지속 가능한 발전을 이룩하기 위해 다양한 시도가 이루어지고 있는데요. 특히 에너지 분야에 초점을 맞추어 새로운 패러다임을 만들어가고 있는 ‘LG CNS’의 그린 IT는 독자적인 운영체제를 뒷받침하는 기술력으로 세계 IT시장에서 인정받고 있습니다. 


< LG CNS 부산 글로벌 클라우드 데이터센터 전경(출처: LG CNS 블로그) >


LG CNS의 그린 솔루션이 적용된 대표적인 예는 부산 글로벌 클라우드 데이터센터(이하 부산센터)인데요. 안전하고 지속적인 환경 관리를 위해 자체 솔루션을 도입하여 운영하고 있습니다. 에너지를 ‘스마트’하게 관리하는 시대인 만큼, 설치 및 운영비용도 줄이면서 환경 보존의 역할을 톡톡히 해내고 있습니다. 


특히 부산데이터센터의 ‘빌트업 외기냉방시스템’, 서버열 배출을 위한 굴뚝 ‘풍도’ 등은 데이터센터 설계 단계부터 에너지 효율을 고려한 LG CNS만의 독자적인 기술력이 돋보입니다. 이러한 시스템들은 부산데이터센터가 단순한 건물이 아닌 시스템 구석구석에 친환경 기술을 담은 예시인데요. 그 성과로 최근에는 국내 ‘그린데이터센터인증’에서 최고등급인 에이 트리플플러스(A+++) 인증을 획득했습니다. 이러한 친환경 기술은 이미 2014년 5월 국내 최초로 글로벌 데이터센터 분야 최고 권위상인 ‘브릴 어워즈(Brill Awards)’ 수상으로 세계적으로 인정받은 바 있다.


항상 새로운 기술을 발굴하며, 국내뿐만 아니라 글로벌 최고 센터로 거듭나기 위한 LG CNS의 노력은 대한민국 에너지 활용 발전의 미래가 보이는 사례라고 할 수 있습니다. 독자적인 기술력과 독창성으로 세계시장에서 그 가능성을 보여주고 있는 국내의 많은 에너지 사업들은 ‘친환경’이라는 본질 아래 발전의 가치를 키워나가고 있습니다. 


● 세계가 주목하는 LG CNS의 그린 IT: http://blog.lgcns.com/448

 

압전 하베스팅의 상용화를 위한 조건은 크게 두 가지로 나눌 수 있는데요. 상대적으로 효율성이 낮다는 단점 보완과 가격 경쟁력을 확보하는 것입니다. 압전 소자는 효율성이 높아질수록 에너지 변환이 더욱 빠르고, 또한 많은 에너지를 확보할 수 있습니다. 그래서 낮은 가격으로 효율성을 증대할 수 있는 방안을 마련한다면 급속도의 성장을 이룰 수 있는 분야입니다. 현재 압전 하베스팅은 관련 특허 등록 및 출원이 급증하며 에너지 하베스팅 시장의 28.8%를 점유할 것으로 예상됩니다. 따라서 상용화를 위한 조건들이 잘 마련된다면 차세대 에너지원으로 더욱 주목받을 수 있을 것입니다. 

< 압전 하베스팅 인포그래픽(출처: makezine.com) >


지금까지 압전 하베스팅의 국내외 사례와 발전 전망에 대해 알아보았습니다. 21세기의 IT는 지금까지 발생한 환경문제를 해결하는 그린 IT로의 방향을 제시하며 발전하는 데 있습니다. 그래서 압전 하베스팅과 같은 친환경 에너지 사업은 그 깨끗함과 소규모 발전 가능이라는 장점을 필두로 에너지 사업 분야에서 꾸준히 발전해 오고 있습니다. 앞서 소개해드린 예 이외에도 에너지 하베스팅 기술은 다양한 분야에서 그린 IT 시장을 본격화하고, 에너지 고갈과 미래 환경의 대책을 만들어 갑니다.


오늘은 압전 에너지의 원리, 발전 전망과 이를 통해 바라보는 친환경 에너지 사업의 미래에 대해 알아보았는데요. 조금은 생소하게 느껴질 수도 있지만, 이미 에너지 하베스팅은 우리 주변에서 쉽게 찾아볼 수 있는 기술이 되었습니다. 첨단 친환경 에너지의 발전은 IT 발전에 따른 필연적인 결과라기보다 상생을 위해 우리가 다시 한 번 새롭게 개발한 기술이라고 생각됩니다. 


앞으로 환경 보존을 위해서 우리가 할 일은 아직 많이 남아있고, 또한 계속 발전되어야 할 텐데요. 현재의 편리함만을 추구하기 보다는 미래를 내다보고 자연과 기술이 함께 어우러지는 그린 IT의 발전이 계속되었으면 합니다.




Posted by IT로 만드는 새로운 미래를 열어갑니다 LG CNS
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