EH스킨 - 에너지 재활용 Energy Harvesting

에너지 재활용 Energy Harvesting

   

   

   

1. EH스킨
   1. EH스킨은 서울대 윤병동 교수팀이 개발한 것으로서, 압진소자를 타일처럼 붙여서 해당 물체의 진동에너지를 전기적 에너지로 "수확"(전환)할 수 있는 장치이다.
   2. 에어컨 실외기에 EH스킨을 부착한 결과, 실외기 전체 진동 에너지의 70%를 전기로 전환하는데 성공했다고 한다.
   3. 실험에서 얻은 전기는 평균 3.7mW 정도로서 무선센서나 소형전자기기에 사용할 수 있는 정도의 양이다.

      

압전소자     수정(水晶) · 로셸염(鹽) · 티탄산바륨 등의 결정에 힘을 가하면 힘에 비례하는 전하(電荷)가 생기고 또 전기장(電氣場) 속에 두면 기계적인 일그러짐이 생기는 현상(압전효과)을 이용한 소자. 피에조 전기소자라고도 한다. 전기기계 변환용의 압전변환소자와 공진(共振)특성을 이용한 공진자(共振子)로 쓰인다. 변환소자는 기계진동을 전기진동으로 변환하는것(마이크로폰 · 픽업 등)과, 전기 진동을 기 계 진동으로 변환하는 것(스피커 · 초음파 발생기 등)이 있다. 또 후자에는 안정된 주파수의 전기진동을 발생시키거나 어떤 특정한 주파수의 전기신호에 대해 응답하기 위해 쓰이는 것이 있으며 이것을 공진자라 한다. 압전현상은 1880년에 프랑스의 퀴리 형제(J. Curie, P. Curie)가 발견했으며 이 현상을 이용해서 프랑스의 P. 랑주뱅은 1917년에 수정 초음파 발생장치를 만들고, 미국의 D. 소여는 로셸염을 사용한 크리스탈 마이크로폰을 31년에 발명했다. 수정공진자는 미국의 W. 캐디가 22년에 제안했으며 이것을 사용하여 안정발진(安定發振)을 하는 수정발진회로는 32년 미국의 C. W. 피어스가 발명했다. 압전효과는 결정의 변형에 의해 이온의 상대위치가 변하기 때문에 일어나는 것으로 생각되고 결정판(板)의 탄성진동과 전기진동이 일치했을 때 강한 여진(勵振)이 일어난다. 이 때문에 사용하는 결정의 끊는 법, 치수, 형상, 가하는 전압 등에 따라 여러가지 꼴의 변환소자와 공진자가 만들어진다. 변환소자에서는 수정은 1~100MHz의 초음파발생기에, 로셸염은 음향기기에 쓰인다. 티탄산바륨 등의 압전요업체는 전기기계 결합계수가 크며 저주파에서 수MHz의 범위에서 음향기기 · 소리굽쇠〔音叉〕· 메커니컬 필터 · 초음파 지연소자(遲延素子) 등에 쓰인다. 이들에 의해 제품화된 것은 압전가스 점등장치 · 음파탐지기 · 어군(魚群)탐지기 · 초음파단층상촬상장치(斷層像撮像裝置) · 초음파현미경 · 초음파용접기 · 가속도계 · 후도계(厚度計) · 유량계 등 다방면에 걸친다. 공진자에는 압전요업체가 사용된 적도 있는데, 진동 손실이 극히 적고 공진주파수가 안정된 수정공진자가 널리 쓰인다. 결정의 끊는 법, 형상 등에 따라서 1kHz~100MHz에 이르는 발진회로나 공진회로의 소자로서 송 · 수신기의 주파수 제어, 수정필터, 전자시계 등에 사용되고 있다.         < 압전소자_1 >   압전효과에 의하여 전기가 생기는 물질로 만든 소자. 다시 말해서 외력을 가하면 전기분극이 일어나서 전위차가 생기고, 반대로 전압을 가하면 변형이나 변형력이 생기는 성질을 가진 소자. 로셸염·수정·티탄산바륨 등으로 만든 압전소자가 픽 업, 마이크로폰, 수화기 등에 쓰이고 있다.         원본 위치 <http://www.scienceall.com/dictionary/dictionary.sca?todo=scienceTermsView&classid=&articleid=253636&bbsid=619&popissue=>

   

   

1. 적용 가능 설비
   1. EH스킨은 현재 많은 양의 전기를 만들어 낼 수 있는 것이 아니기에 건물 내 간단한 조명이나 객차 내 센서 정도에 적용할 수 있겠다.
   2. 우선, 도쿄역의 '발전마루' 처럼 바닥에 시공하거나 윤 교수의 실험에서처럼 역사 내 맞이방 등 공공장소와 역 사무실에 가동 중인 에어컨의 실외기에 부착하여, 그 전환된 전기로 여객 안내조명이나 비교적 전력이 적게 소모되는 비상시 조명 등에 적용할 수 있을 것이다.
   3. 그리고 운행 중인 기관차나 객차의 진동을 활용할 수 있게끔 스킨을 부착하여, 추가적인 전기 소모 없이 객차내 온도센서를 개량/증설하여 온도조절을 효율적으로 할 수 있다.
   4. 화물열차에 다는 측등을 LED같은 저전력 매체로 개량한다면, 화물열차에도 마찬가지로 EH스킨을 적용할 수 있을 것이다. 현재와 같이 측등을 충전하여 쓰는 방식이 아니라 화물열차의 진동에너지를 전환함으로써 반영구적인 자체 발광 측등을 상상해 볼 수 있겠다.

         

2. 비용 개선 및 친환경 철도 이미지 부각
   1. Energy Harvesting 분야의 연구가 아직 시작 단계로서, 에너지 전환량과 생성된 전기에너지의 양이 크지 않아 획기적인 개선효과는 기대하기 힘들 수도 있다.
   2. 하지만 연구가 진행되면 전환 효율이 현재 70%에서 점점 개선될 것이고, 윤교수팀이 밝힌대로 단순 에너지 전환 뿐 아니라 충전도 가능하게 될 것이므로 발전가능성은 무한하다.
   3. 지금 당장 철도 현장에 적용 하는 것은 불가능하더라도 관심있게 지켜볼 필요가 있고,
   4. 나아가 산학협동 과제로 추진해 보는 것도 의미가 있겠다. 프로젝트의 형태이건 6시그마 개선과제의 형태이든 산학협동으로 추진한다면 사회적으로도 높은 관심을 받을 것이다.
   5. EH스킨 뿐만 아니라 태양광 발전이나 빗물 재활용 (청소용수나 화장실용수) 등 친환경적인 에너지 사용을 늘려간다면, 시대적 흐름에도 부흥하면서 친환경 철도의 이미지를 더욱 부각 시키는 시너지 효과를 얻을 수 있다.

         

3. 참고 자료

      

"사람들의 발걸음도, 바다에 떠다니는 미세조류도 에너지" 목정민 기자 loveeach@kyunghyang.com     ㆍ윤병동 교수팀·강도형 박사팀 에너지 재활용 주목 서울대 공대 윤병동 교수팀이 사람이 밟고 지나가면 전구가 켜지는 보도블록을 개발했다(왼쪽 사진). 사람이 발걸음을 옮길 때 발생하는 진동에너지를 전기에너지로 전환시킨 것이다. 한 번 밟을 때마다 200개의 발광다이오드(LED) 전구가 동시에 켜진다. 윤 교수팀은 한국과학기술연구원(KIST)의 의뢰를 받아 연구를 시작했다. 지난 5월 진동에너지를 모으는 압전소자 'EH스킨' 개발에 성공했다. 가동 중인 에어컨이나 움직이는 자동차 등에 붙이면 진동에너지가 전기에너지로 전환된다. 연구팀은 EH스킨을 에어컨에 부착해 진동에너지를 최대 70% 흡수할 수 있다. 과학자들이 주변에서 쉽게 버려지는 에너지를 거둬들여 재활용하는 '에너지 하베스팅(energy harvesting)' 기술에 주목하고 있다. 아직 효율은 낮지만 환경오염이 없어 대안에너지로 각광받고 있다. 에너지 하베스팅 기술은 해외에서는 이미 상용화돼 있다. 일본 도쿄역 개찰구 바닥에는 압전소자가 설치돼 있다.     승객이 개찰구 바닥을 밟을 때 생기는 압력과 진동을 전기에너지로 바꾸고 이를 모아 개찰구의 각종 전기기기를 작동시킨다. 고속도로에 설치된 압전소자는 자동차가 달릴 때 발생하는 운동에너지를 도로 지시등을 켜는 데 이용할 수 있게 해준다. 바다 위를 떠다니는 미세조류도 차세대 에너지원이다.     한국해양연구원 강도형 박사팀은 미세조류에서 기름을 짜내는 기술을 연구하고 있다(오른쪽). 미세조류는 광합성하는 단세포 생물이다. 햇빛과 물만 있으면 잘 자라고 번식 속도도 매우 빠르다. 강도형 박사는 "미세조류는 보통 3~8시간마다 양이 2배로 증가한다"며 "시범 단계에서 70일 만에 기름을 6번이나 짜냈을 정도로 효율이 높다"고 전했다.     4000㎡의 면적에서 생산되는 바이오 연료는 미세조류의 경우 연간 7200ℓ 정도이다. 같은 면적에서 사탕수수와 옥수수가 각각 1710ℓ와 950ℓ의 바이오 연료를 생산하는 것과 비교하면 4~7배 효율이 높다. 또 미세조류 100t으로 바이오 연료를 생산하면 이산화탄소를 약 180t 줄일 수 있다.     빗물을 모으면 훌륭한 자원이 된다. 서울대 공대 한무영 교수는 "우리나라를 두고 흔히 물 부족 국가라고 하지만 빗물을 모으면 물이 절대 부족하지 않다"고 말했다. 일부에서는 이미 빗물을 받아 재활용하고 있다. 서울 지하철 2호선 건국대입구역 부근에 자리잡은 스타시티 단지는 옥상에 빗물 저장고를 만들었다.     빗물을 꾸준히 모아 정원수, 청소용수 등으로 이용하는데 그 양이 매년 4만t에 이른다. 스타시티는 1년간 쓰는 수돗물의 20% 정도를 빗물로 충당한다. 이 때문에 가구당 공동수도료는 한 달에 200원이 넘지 않는다. 현재 수원종합운동장과 경북 고성 공룡엑스포 전시장에도 저장고를 만들어 빗물을 재활용하고 있다. 한무영 교수는 "빗물도 모아서 재활용할 수 있는 지혜가 필요한 때"라고 말했다.

   

   

버려지는 에너지 모아 전기로 만드는 'EH스킨' 개발 지하철 벽면-에어컨 실외기 등에 타일처럼 붙이면 진동이 에너지로 2011년 05월 20일     《퇴근길 이른 더위에 부채질을 하며 스마트폰으로 집에 있는 에어컨의 전원을 켰다. 잠시 후 원하는 온도로 시원해졌다는 알림이 도착한다. 집안 곳곳에 달린 무선센서가 정보를 보내오지만 전기료는 줄었다. 그동안 쓰지 않던 에너지를 활용해 전기 효율이 높아졌기 때문이다.》     주변에서 버려지는 에너지를 수확해 전기를 생산하는 '에너지 하베스팅(EH)' 기술로 가능한 일이다. 이 기술은 별도의 발전장치 없이 주변에서 버려지는 에너지를 재활용해 전기를 만들어내는 기술이다. 지하철이나 기차 벽면, 에어컨 실외기의 진동, 자동차의 배기열, 걸을 때 발뒤꿈치가 바닥을 누르는 힘 등 일상에서 쉽게 지나치는 모든 것이 에너지 수확 대상이다.                 ● 압전소자를 타일처럼 붙여 센서 작동     에어컨 실외기 표면에 얇은 압전소자를 타일처럼 붙여 진동을 수확할 수 있는 장치가 개발됐다. 서울대 기계항공공학부 시스템건전성 및 리스크관리연구실 윤병동 교수(사진)팀은 최근 진동하는 판을 가진 장치에 직접 붙여 에너지를 얻을 수 있는 'EH스킨'을 개발했다. 기존에 진동을 수확하는 EH장치는 막대 형태로 돼 있어 공간을 많이 차지했다. 조임쇠가 느슨해지는 등 내구성도 떨어졌다. EH스킨은 진동하는 부분에 바로 부착해 더 많은 에너지를 수확할 수 있으며 별도의 공간이 필요 없다.     윤 교수팀은 에어컨 실외기 표면을 분석해 진동이 가장 많은 곳에 EH스킨을 잘라 붙였다. 실외기에서 나오는 전체 진동 에너지의 70%를 수확해 3.7mW(밀리와트)의 전기로 바꾸는 데 성공했다. 이는 무선센서를 작동하기에 충분한 전력이다. 실제로 교수팀은 EH스킨에 발광다이오드(LED) 전구와 온도 센서를 부착해 진동의 힘으로 불을 밝히고 원격으로 실시간 온도 정보를 확인하기도 했다. 윤 교수는 "KTX나 비행기 날개 등에 EH스킨을 붙이면 이보다 더 많은 전기를 얻을 수 있다"며 "무선센서의 배터리 교체 비용을 대폭 줄일 수 있고 지금껏 전원 문제 때문에 센서를 달지 못했던 곳까지 모니터링할 수 있게 될 것"이라고 설명했다.     이 연구는 '스마트 머티리얼스 & 스트럭처스' 등 국제학술지에 3월 발표된 후 한 달간 가장 많이 읽힌 논문 10편에 꼽혔으며 지난달 미국 인터넷 과학 매체인 '피즈오그(PhysOrg)'에 주목할 만한 논문으로 소개됐다.     ● 고효율 자동차, 스마트 발전소 가능     자동차나 선박, 비행기에는 쓰지 않고 버려지는 에너지가 많다. 한국기계연구원에서는 자동차의 배기열을 수확해 고효율 자동차를 만들기 위해 연구 중이다. 기계연 시스템다이내믹스연구실 김영철 팀장은 18일 대전 유성구 기계연에서 열린 'EH 연구 교류회'에서 "EH기술로 고효율 자동차를 만들면 연료소비효율이 10% 이상 향상된다"고 말했다. 자동차의 배기열은 수백 도에 이르는데 이를 열전소자로 수집하고 엔진의 진동 에너지를 압전소자로 모으면 수십 W의 전기를 얻을 수 있다.     공장이나 발전소, 빌딩에서 에너지를 수확해 빌딩 자동화와 시설물의 안전성 등을 감시하는 데 활용할 수 있다. 윤 교수는 "발전소나 빌딩 등을 자동화하고 '스마트화'하려면 많은 센서가 필요하다"며 "EH장치를 활용하여 무선센서를 작동하면 기존 에너지 사용량의 50%까지 절감할 수 있다"고 말했다.     폐열을 수확하기 위해서는 열전소자의 효율을 높여야 한다. 현재 쓰이는 열전소자는 열의 5%를 전기 에너지로 바꾸는데 이 정도의 변환 효율을 '열전기 성능지수' 1로 나타낸다. 최근 미국 캘리포니아공대(칼텍) 재료과학과 제프리 스나이더 박사팀은 높은 변환 효율을 갖는 열전소자 재료를 개발해 학술지 '네이처' 5일자에 발표했다. 박사팀은 납과 텔루르, 셀레늄 합금의 나노 구조를 개선해 약 576도(850K)에서 성능지수 1.8을 얻었다. 발생하는 열의 약 9%까지 전기로 바꿀 수 있는 재료다.     최세민 동아사이언스 기자 july@donga.com