버려지는 에너지를 ‘수확’한다고? ‘에너지 하베스팅(harves ting·수확)’이란 일상생활에서 쓰고 남은 에너지를 모아서 전기에너지로 변환해 재사용하는 기술을 말한다. 집이나 사무실에서 사용하는 조명에서는 빛 에너지가 발생하고 자동차, 기차, 비행기 등 교통수단이 움직일 때는 진동과 열에너지가 나온다. 우리가 한 걸음씩 걸을 때에도 발바닥이 바닥을 누르며 압전 에너지가 생긴다.

우리가 인지하지도 못한 채 버려지는 에너지를 모아서 전기 에너지로 변환하는 하베스팅 기술이 상용화(일상적으로 널리 쓰임)되면 화석연료 사용량이 줄어 지구온난화 완화에도 도움이 된다. 새어나가는 에너지는 어떻게 모으는 걸까. 점차 현실화되고 있는 에너지 하베스팅 기술 사례에 대해 자세히 알아보자.


달걀 껍데기와 거미줄로 전기를 생산하는 연구논문이 독일 에너지 학술지 ‘어드밴스 에너지 머터리얼스’에 실린 모습. 포스텍 제공

달걀 껍데기로 전기를 만든다고?

일상생활에서 쉽게 구할 수 있는 소재를 활용한 인체에 무해하면서도 친환경적인 압전소자가 개발됐다. 압전소자는 손이나 발로 누를 때 생기는 압력을 전기로 바꿔주는 기술. 일례로 압전소자를 깐 신발을 신고 걸으면 전기를 얻을 수 있다. 김진곤 포스텍(포항공대) 화학공학과 교수, 카투아 인도 카락푸르공대 교수 등으로 구성된 연구팀은 달걀 껍데기와 거미줄을 이용한 나노발전소자를 개발했다고 최근 밝혔다.

연구팀은 달걀 껍데기에서 뽑아낸 단백질과 다당류를 사용해 압전소자를 만들었다. 특히 거미줄은 줄 특성상 구부리는 힘인 인장력을 띠어 압전소자를 제작하기에 적합한 물질. 달걀 껍데기와 거미줄은 생분해(미생물에 의해 분해됨)되기 때문에 환경을 오염시키는 폐기물을 발생시키지 않는다.​


한국표준과학연구원 연구팀이 메타물질 에너지 하베스팅 실험을 하고 있다. 한국표준과학연구원 제공

‘돋보기’처럼 에너지 한 곳으로 모아요

버려지는 에너지를 높은 효율을 내는 전기로 변환하기란 쉬운 일이 아니다. 최근 국내 연구진은 신개념 메타물질(자연계에 존재하지 않는 인공적인 물질)을 이용해 기존 시스템보다 22배 많은 전기를 생산하는 데 성공했다. 전환 효율을 높이기보다 애초에 많은 에너지를 모으는 방식을 택한 것.

김미소 한국표준과학연구원(KRISS) 안전측정센터 선임연구원과 윤병동 서울대 기계항공공학부 교수 연구팀은 ‘음향양자결정(단위격자가 주기성을 갖고 배열된 구조)’ 구조의 메타물질을 적용해 진동, 소음 등으로 발생한 에너지를 한 곳으로 최대한 모아 빠져 나가지 못하게 묶어두는 ‘돋보기’ 역할을 하는 에너지 하베스팅 시스템을 개발했다.​


한국과학기술연구원 강종윤 박사팀이 개발한 압전 발전장치가 설치된 도로를 자동차가 지나고 있는 모습. 한국과학기술연구원 제공​

차가 달리면서 전기를 만든다고?

자동차가 도로 위를 달리기만 해도 전기를 생산할 수 있다. 한국과학기술연구원(KIST)에 따르면, 지난해 강종윤 전자재료연구단 박사팀은 달리는 자동차가 하중(물체의 무게)으로 도로를 누르는 힘으로 전기를 생산하는 압전 발전장치를 개발했다.

강 박사팀은 유해 물질인 납을 사용하지 않는 대신 유연한 압전 폴리머(고내구성, 고출력의 고분자량 화합물) 소재인 ‘이소불화비닐(PVDF)’을 사용해 친환경 압전 장치를 개발했다.

유연한 플라스틱 소재로 만들어졌기 때문에 세라믹으로 만든 기존의 압전장치와 달리 자동차가 밟고 지나가도 깨지는 등의 문제가 발생하지 않는다.​

▶어린이동아 장진희 기자 cjh0629@donga.com

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