사물인터넷(IoT) 시대가 다가오고 웨어러블 기기가 활성화되면서 각종 센서 사용량이 급증하고 있다. 센서는 시·공간과 연관 없이 설치될 수 있어야 하고 웨어러블 기기는 인체에 직접 착용하는 형태다.
현재는 배터리가 센서나 웨어러블 기기 동력원이 되고 있다. 하지만 센서 설치 지역이 늘고 다양한 형태 기기들이 등장하면서 에너지 하베스팅(Energy harvesting) 기술이 차세대 동력원으로 주목받고 있다. 수많은 센서가 설치되려면 배터리나 배선으로 전력을 공급하는 데 설치 비용이나 위치 제약 등 한계가 있기 때문이다.
에너지 하베스팅은 빛, 진동, 열, 전자기 등의 에너지를 ‘수확’해 동력원으로 사용하는 기술이다. 온도차나 압력, 빛 에너지로 전류를 흘려보낸다. 센서에 에너지 하베스팅을 적용하면 배터리를 교체하거나 유선으로 연결하지 않아도 된다.
◇에너지하베스팅, 센서 시스템-웨어러블 기기에서 성장세 높아
올 초 개최된 국제가전박람회(CES) 2015에서 독일 엔오션(EnOcean)은 에너지 하베스팅 기술을 스위치, 센서와 접목한 스마트홈 솔루션을 선보였다. 독일은 에너지 하베스팅을 이미 프랑크푸르트 공항 ‘더스퀘어(The Squaire)’ 빌딩에 적용한 바 있다. 에너지 하베스팅을 2만여개 센서와 무선 스위치에 결합해 조명이나 난방, 환기, 공기정화 시스템을 가동하게 했다.
웨어러블 기기에서도 이 기술을 쓰는 사례가 증가하고 있다. 기기가 갈수록 소형화하는 반면에 탑재되는 기능이 늘어나면서다. 기존 배터리는 용량에 따라 크기가 결정되고 주기적으로 충전을 하거나 수명이 다하면 교체해야 한다. 이 때문에 보조전원으로 에너지 하베스팅이 검토되고 있다.
실제 지난해 소셜 펀딩 사이트 킥스타터(Kickstarter)에는 운동에너지를 저장해 기기에 전력을 공급하는 휴대용 배터리 ‘앰피(AMPY)’가 올라와 눈길을 끌었다. 들고 다니면서 움직이면 해당 에너지가 기기에 저장되고 이를 배터리에 연결하면 충전이 되는 형태다.
CES 2015에서 스마트 기기 업체 미스핏(Misfit)이 주얼리 브랜드 스와로브스키(Swarovski)와 손잡고 선보인 ‘스와로브스키 샤인’ 제품에도 에너지 하베스팅 기술이 쓰였다. 빛을 받으면 전류가 흐르는 열전 효과를 이용해 기기가 충전된다. 별도 배터리 교체가 필요 없다.
캐나다 업체 바이오닉파워는 사람 다리에서 에너지를 생산하는 ‘파워워크엠(PowerWalk M)’이라는 기기를 개발 중이다. 군사용으로 무릎을 구부릴 때 압전소자에서 전류를 만들어낸다.
스마트카 등에도 적용될 가능성이 크다. 스마트카는 각종 부품이 서로 연결돼야 한다. 그만큼 센서가 많이 필요하다는 얘기다. 디스플레이, 카메라, 스위치 등 전기를 써왔던 기존 부품도 비상 전원으로 에너지 하베스팅 시스템에 도입될 공산이 높다.
최근 미국에서는 빗방울, 바람 등 날씨를 에너지원으로 쓰는 스마트 창문이 개발됐다. 바람과 물이 창에 부딪힐 때 발생하는 에너지로 마찰 전기를 발생시킨다.
◇기술적 한계도 있지만... 수요는 많다
하지만 아직 에너지 하베스팅은 출력 성능이나 내구성이 기존 배터리에 한참 못 미친다. 열을 전류로 바꾸는 열전소자는 소재가 가진 열전성능지수에 따라 다르지만 대개 에너지 변환 효율이 낮아 작은 크기로 적용되기 힘들다. 현재는 폐열을 회수하는 시스템에 적용 가능하다. 향후 기술이 개발되면 인체에서 나오는 열만으로 에너지를 공급할 수도 있다는 설명이다. 특히 소재를 나노 단위로 쪼개 성능을 개선하려는 움직임이 활발하다.
진동이나 움직임 등 압력을 전류로 바꾸는 압전 하베스팅은 단위 면적당 낼 수 있는 전력량이 많고 간섭 현상이 없다는 장점이 있다. 에너지 효율도 중요하지만 여러 번 움직여서 에너지를 내기 때문에 소재 내구성도 높아야 한다. 현재는 압전 세라믹인 타이타늄산지르코산연(PZT)을 주 소재로 쓰지만 납을 사용해 인체에 유해하고 잘 깨진다. 고분자 압전 재료, 복합 소재 등을 개발 중이다.
영국 시장 조사 기관 아이디테크엑스(IDTechEx)에 따르면 전세계 에너지 하베스팅 시장규모는 2012년 7억630만달러 규모에서 오는 2022년 52억8070만달러로 커질 전망이다.
<세계 에너지 하베스팅 시장 전망 (단위:만달러)>
김주연기자 pillar@etnews.com
