최신 에너지 하베스팅(Energy Harvesting) 기술 및 산업 동향
2020-06-04
org.kosen.entty.User@37c550f
윤정배(yoonjung)
1. 개요
에너지 하베스팅(Energy Harvesting)은 태양광, 진동, 열, 풍력 등과 같이 자연적인 에너지원으로부터 발생하는 에너지를 미세하게 수확하여 전기에너지로 변환시켜 저장 또는 사용하는 일련의 기술을 의미하고, 에너지 변환 단계에서 적용되는 에너지 하베스팅 기술로는 광전, 열전, 압전 그리고 전자기파 변환 기술 등이 있다.
초기 에너지 하베스팅은 소자의 집적도 및 크기를 키워 효율을 높이고, 많은 양의 에너지를 생산하는데 주력하였으나, 최근에는 작고 휴대가 가능하며, 유연한 소자를 제조하는 기술들이 개발되고 있어 응용분야가 다양화 될 것으로 전망된다.
특히 무선 네트워크나 자동차의 소형 전자장치, 모바일기기 그리고 웨어러블 디바이스 등 저전력기기 중심의 보급이 활발해질 것으로 예상되며, 에너지 하베스팅 기술 보급 활성화, 탄소 배출 감소의 필요성 증대 그리고 사물인터넷(IoT) 기술 적용 증가 등이 에너지 하베스팅 기술의 성장을 견인할 것으로 예측되고 있다.
본 리포트에서는 최근 에너지 하베스팅 기술 수준, 관련 산업 동향, 시장 규모 그리고 시사점에 대해 소개하고자 한다.
2. 기술 동향[1~5]
2.1. 광전 변환
광전 변환 기술은 광전효과(Photoelectric Effect)를 이용하는 것으로, 에너지 하베스팅 기술 중에서 가장 먼저 개발되었고, 대표적인 것으로 태양전지를 이용한 태양광 발전 등이 있으며, 태양전지는 P-N 접합으로 구성된 반도체 소자로, 반도체의 밴드갭보다 큰 에너지의 빛이 입사되면 반도체 내부에 전자-정공 쌍이 생성되고, 생성된 전자-정공 쌍이 P-N 접합분에 형성되어 있는 전기장에 의해 서로 반대 방향으로 이동하면서 외부에 연결된 도선에 전류가 흐르는 원리로 구동된다.
빛을 흡수하는 소재의 종류에 따라 실리콘계, 화합물계, 유기계 등으로 구분되며, 상용화 순서에 따라 1세대(결정질 실리콘), 2세대(실리콘 박막, CIGS(구리, 인듐, 갈륨, 셀레늄 화합물) 및 CdTe 박막), 3세대 (염료감응, 유기) 및 차세대(양자전, 플라즈몬, 페로브스카이트)로 분류될 수 있다.
결정질 실리콘 태양전지가 가장 먼저 상용화 되어 태양광 시장의 90% 이상을 차지하고 있으며, 염료감응 태양전지나 유기태양전지를 건물일체형 태양광 발전 또는 모바일기기 등의 분야에 적용하기 위한 연구개발이 이뤄지고 있고, 최근에는 페로브스카이트(Perovskite : ABX3 화학식을 갖는 결정구조로, 부도체, 반도체, 도체의 성질은 물론 초전도 현상까지 보이는 특별한 구조의 금속 산화물)를 이용한 태양전지가 실리콘 태양전지를 대체할 태양전지로 각광을 받으며 연구가 활발히 진행되고 있다.
2.2. 압전 변환
압전 변환 기술은 최근 가장 주목받고 있는 에너지 하베스팅 기술로, 외부의 힘 또는 진동 등이 압전체에 가해지면 기계적 응력 또는 변형으로 전하가 발생하는 압전효과를 이용하여 전기에너지를 생산하는 기술로, 압전효과를 이용한 발전방식은 기존의 자석을 사용한 발전보다 작은 진동을 전기에너지로 변화하는데 용이할 뿐만 아니라 에너지 변환효율도 높은 장점이 있다.
압전재료는 세라믹계 물질 및 폴리머 그리고 이들의 복합재 등이 있으며, 결정 및 형태에 따라 단결정 및 다결정 재료, 박막 및 벌크 재료 등이 있고, 대표적인 세라믹 압전재료로 PZT (Pb(ZrTi)O3)가 있으며, 폴리머 압전소재는 PVDF(Poly-Vinylidene Di-Fluoride)가 많이 사용된다.
PZT(k=0.5)의 기계-전기 결합계수는 PVDF(k=0.2) 보다 큰 장점이 있으나, 폴리머에 비해 단단하여 작은 진동으로는 에너지 변환이 불가능하고, 취성이 있어 큰 변형에는 사용 할 수 없는 단점이 있다. 반면, 폴리머는 유연하여 큰 변위에 사용될 수 있으나, 기계-전기 결합계수가 작아 에너지 변환효율이 낮은 단점이 있으나, 최근에는 세라믹의 높은 기계-전기 결합계수와 폴리머의 유연성을 이용한 세라믹-폴리머 복합재료를 사용한 압전소재가 개발되고 있다.
우수한 압전재료는 높은 강유전(로첼염, 티탄산바륨 같은 물질로, 자발적인 분극을 가지며, 분극과 전계의 세기 사이에는 이력현상이 존재하는데, 이를 강유전 물질이라고 말하며, 자기 일그러짐 효과를 이용한 트랜스듀서, 자기증폭기 등과 유사한 용도에 적합한 물질) 특성을 가지며, 강유전재료를 폴링(Poling)하면 일정방향으로 자발분극을 가지게 되고, 분극이 배열 된 소재에 힘을 가하면 재료의 분극변화가 발생하며, 이때 압전재료를 외부저항과 연결하면 전류가 발생되는 원리로 구동된다.
압전 에너지 하베스팅 기기는 기본적으로 외부의 기계적 에너지를 압전재료에 전달 후 전기에너지로 변환시키고, 변환된 에너지는 전기적인 회로를 통하여 슈퍼 커패시터나 이차전지에 축전하는 과정으로 구성되며, 외부의 진동을 압전체로 전달하기 위해 기계적 임피던스 매칭(Impedance Matching, 전자기기에서 전기 부하의 입력 임피던스 또는 그와 일치하는 소스의 출력 임피던스를 설계하기 위한 방법)이 이루어져야 하고, 전기에너지로 변환하는 재료의 전기-기계 결합계수가 커야 하며, 생성되는 에너지를 외부회로로 전달하기 위해서는 전기적 임피던스 매칭이 되어야 하고, 마지막으로 생성된 교류 전압을 슈퍼 커패시터나 이차전지에 충전하기 위해서는 정류다이오드와 평활화 커패시터를 이용하여 직류로의 변환 과정을 필요로 한다.
최근에는 압전 에너지 하베스팅 기술을 군수용 발전장치, 의료용 장치의 보조 전원, 자동차의 이차 발전장치 그리고 웨어러블 디바이스 등에 적용하기 위한 연구가 진행 중에 있으며, 유비쿼터스 센서 네트워크(USN)의 에너지원으로도 검토되고 있다.
2.3. 열전 변환
열전소자는 온도차이 만으로 발전이 가능하고 가동부분 또는 구동부분이 따로 필요하지 않아 구조가 간단하며, 소자의 수명이 길고, 태양열, 지열, 폐열 등 열원이 존재하는 모든 곳에서 사용이 가능하다.
열전 변환은 서로 다른 두 종류의 금속 또는 반도체 재료의 양단에 온도차가 생기면 기전력이 발생하는 제벡효과(Seebeck Effect)를 이용한 기술로, 열에너지를 전기에너지로 변환시킬 수 있고, 반대로 전기에너지를 열에너지로 역변환이 가능하여 냉각소자로도 사용된다.
열전발전을 위해 사용되는 열전모듈은 복수개의 p형 및 n형 열전재료를 전기적으로는 직렬로, 열적으로는 병렬로 연결하여 제작하며, 열전모듈의 한 쪽 전극접합부를 고온으로 유지하고, 다른 한 쪽을 저온으로 유지하면, n 형 재료에서는 고온영역의 전자가 저온영역으로 이동하고 고온부의 전위가 높아지며, p형 재료에서는 정공이 고온영역에서 저온영역으로 이동하여 저온부의 전위가 높아지는 원리로 구동된다.
열과 전기의 흐름은 고온부 세라믹 기판 → 고온부 전극 → 열전재료 → 저온부 전극 → 저온부 세라믹 기판을 통해 이루어지고, 열전모듈의 구성에서 세라믹 기판/전극 접합부는 전기전도도가 낮고 열전도도가 높아야 하며, 전극/열전재료 접합부는 그 반대의 특성을 나타내야 한다.
온도 영역에 따라 성능지수(ZT, figure of merit)가 우수한 대표적인 열전재료로 상온계의 Bi-Te계 물질, 중온계의 Pb-Te계 물질 그리고 고온 영역의 SiGe 등의 비산화물계 합금이나 금속간 화합물이 있고, 조성이나 구조의 변화를 통해 성능지수의 향상과 성능지수 최고값의 온도 영역을 제어할 수 있으며, 열전발전용으로 내열성이 우수한 Skutterudite 화합물(CeFe4CoSb12등), Calthrate 화합물(Ba8Si46) 그리고 Half-Heusler 화합물((Zr, Hf, Ti)NiSn)이 새로운 소재로 부각되고 있다.
최근 새로운 열전재료의 개발은 나노구조화 열전재료에 집중되고 있으며, 나노구조화 열전 재료의 경우, 전기전도도는 크게 영향을 받지 않으면서 열전도도는 크게 낮출 수 있어 성능지수를 효율적으로 향상시킬 수 있는 재료로, 특히 저차원 나노구조 열전재료는 열전도도 저감 및 열기전력(제벡계수)의 향상이 가능하여 지속적인 연구개발이 이루어지고 있다.
국내의 경우 열전 에너지 하베스팅과 관련된 소재나 모듈 기술은 선진국에 비해 낮은 수준이고, 냉각용 열전소자의 경우 연구가 활발히 이루어지고 시장도 일부 형성되고 있으며, 발전용 열전소자는 국가 출연 연구소 및 대학을 중심으로 Bi-Te계 또는 Pb-Te계 열전재료의 효율을 높이기 위한 기초연구가 주를 이루고 있다.
2.4. 전자기파 변환
전자기파 변환 기술은 WiFi, 라디오, 무선통신과 같이 전자기파를 이용하는 무선네트워크가 공기 중에 전자기파의 잔여물을 남길 때, 이를 수집하여 에너지로 변환하는 기술을 의미하며, 전자기파 잔여물은 변동하는 자기장과 전기장으로 이루어져 있어, 전자기유도 법칙에 의해 안테나에 미약한 전류가 생성되고, 생성된 전류는 공진회로를 통해 증폭되어 사용 가능한 전류를 발생시키는 원리로 구동된다.
전자기파 에너지 변환 방식으로 다양한 기술이 개발되고 있는데, 미국에서는 1~100Hz의 주변 주파수에서 빔 공진에 의해 지지되는 자석/평판을 이용하여 빔 당 2μW의 전력을 수확하는 기술이 개발되었으며, 국내에서는 한국전력 전력연구원에서 배전설비 관리를 위한 사물인터넷용 무선센서에 전원선이나 전지 등을 사용하지 않고 전원을 공급할 수 있는 에너지 하베스팅 전원장치를 개발하였다.
WiFi Backscatter는 WiFi 지역에서 사용되지 않고 공기 속에 돌아다니는 떠돌이 전자파를 모아 전류를 공급하거나, 다시 네트워크에 연결할 수 있도록 하는 기술로, AP 라우터의 WiFi 신호를 이용하여 배터리가 없는 태그의 정보를 WiFi 단말기에 전송하여, WiFi Backscatter 태그가 수 μW의 동작전력으로 AP라우터의 WiFi 신호를 반사/흡수하여 WiFi 단말기로 신호를 전송할 수 있는 기술로, 극소량의 전기에너지만을 생산할 수 있고, 짧은 거리에만 에너지를 전달할 수 있는 단점이 있어, 여전히 많은 연구개발이 필요한 실정이다.
2.5. 자성유체 에너지 하베스팅
최근 주목받고 있는 자성유체(Ferrofluid, 자기장이 존재할 때, 강하게 자화(Magnetized)되는 액체)를 이용한 에너지 하베스팅 기술은 자기장이 존재하는 영역에서 기계적 에너지를 받을 때 생기는 자기 쌍극자 모멘트(Magnetic Dipole Moment, 자석과 같이 한 쪽은 N극, 반대쪽은 S극을 갖는 물질에서 발생하는 쌍극자 모멘트)의 변동에 의해 구동된다.
예를 들어, 재료가 외부 자기장을 받지 않을 때, 액체 안에서 쌍극자들이 무작위하게 배열되는데, 이 때 총자화(Magnetization) 값은 0이며, 여기에 외부 자기장을 가하면 액체 내부에 있는 자기 쌍극자가 외부 자기장의 방향으로 정렬되고, 정렬된 재료가 진동을 받아 출렁거리면 액체 내부에 있는 자기 쌍극자들은 변위를 갖게 되며, 변위를 가진 쌍극자들은 순자기선속(Net Magnetic Flux, 어떤 가상의 곡면에 작용하는 총자기력을 나타내는 물리량으로, 곡면의 넓이와 표면에 수직인 자기 장 성분의 곱)을 만들어내고, 이 선속이 액체 주변의 코일에 영향을 주어 전자기 유도 현상이 발생되고, 코일에는 전기가 흐른다.
여기에서 중요한 요소는 최대한 공명 진동수에 근접한 기계적 진동을 가하여, 진폭이 최대가 되는 표면파를 형성시키는 것으로, 최대 진폭의 표면파는 자기선속의 최대값을 발생시켜 높은 전류의 출력이 가능하기 때문이다.
자성유체를 이용한 에너지 하베스팅은 고형 자석이 아닌 나노 수준의 영구 자기 쌍극자로 구성된 액체 구조를 사용하므로, 액체가 담긴 컨테이너에 따라 소자 형태가 바뀔 수 있으며, 체내 또는 기계 부품 내부 등 접근 불가능한 영역에 주입될 수 있는 장점이 있으나, 출력값이 매우 낮고, 연구개발 초기 단계 기술로, 상용화를 위해 지속적인 기술개발 투자가 필요한 상황이다.
2.6. 마찰 에너지 하베스팅
마찰 전기는 두 개의 서로 다른 물질이 접촉하면 마찰 대전에 의해 표면이 대전되는 현상을 이용한 기술로, 마찰 에너지 하베스팅은 대전된 두 물질을 분리시켜 정전기 유도 현상에 의해 상하부 전극에 보상 전하가 축적되고, 이에 따라 전하 균형이 맞춰질 때까지 외부 전극을 통해 전류가 흐르는 원리로 구동된다.
마찰 전기를 이용한 에너지 하베스팅 기술은 출력값이 크기 때문에 작은 움직임을 통한 발전으로도 전기 소자를 작동시킬만한 충분한 전력이 생성되어, 다양한 형태의 소자 제조 및 작동 모드 제어가 용이한 장점이 있으며, 이를 이용해 압력, 화학 그리고 광학 센서 등 다양한 자가발전 센서로의 응용성이 제시되고 있다.
3. 업계 동향[6]
세계 에너지 하베스팅 시장은 Honeywell(미국), Siemens(독일), Microchip Technology(미국), Fujitsu(일본), ABB(스위스), Cymbet(미국), ST Microelectronics(스위스), Schneider(미국), Hager(독일), EnOcean(독일) 그리고 Qorvo(미국) 등이 참여하고 있고, Honeywell(미국), Siemens(독일), ABB(스위스), Fujitsu(일본) 등이 실질적으로 시장을 지배하고 있으며, 국내 시장과는 달리 태양광 발전 분야뿐만 아니라 압전/열전 변환 등 다양한 에너지 하베스팅 기술이 상용화되고 있다.
국내 에너지 하베스팅 시장은 태양광 분야에서 기술 상용화가 이루어지고 있으며, 그 외 기 술 영역에서는 정부 출연 연구소나 대학, 관련 기업에서 연구개발이 꾸준히 진행되고 있고, 대표적인 광전 변환 방식인 태양광 발전 관련 사업을 영위하고 있는 주요 업체로는 한화큐셀, 엘지전자, 엘에스산전, 신성솔라에너지, 오씨아이, 웅진에너지, 에스에너지 그리고 솔라파크코리아 등이 있다.
압전 변환 분야는 센불, 경원산업, 래트론, 지노소프트이노베이션 그리고 우광테크 등 중소업체들 위주의 시장참여가 이루어지고 있으며, 삼성전기, 삼성전자, 한국전기연구원, 한국과학기술연구원, 성균관대학교, 경희대학교 등 다양한 산학연 기관에서 기술개발을 진행하고 있고, 일부 상용화 단계에 진입하였으나, 여전히 성능 향상이 필요하여 추가적인 연구개발이 요구되고 있다.
열전 변환 분야는 엘지화학, 엘지이노텍, 제펠, 에이스테크 그리고 우창엔지니어링 등의 기업체에서 자체적으로 열전소자 및 모듈 기술개발이 이뤄지고 있으며, 이 외에 한국전기연구원, 한국기계연구원, 한국과학기술연구원, 대구경북과학기술원, 서울대, 연세대 등 다양한 산학 기관에서 관련 연구를 수행하고 있다.
4. 시장 현황[7]
에너지 하베스팅 산업은 신재생에너지 산업, 기술 중요도가 높은 산업, 자본집약적 산업, 시장 진입장벽이 높은 산업 그리고 기술 융/복합 산업의 특징을 나타내고 있으며, 후방산업은 에너지 변환 소재 및 부품(소자) 분야이고, 전방산업은 전기전자제품(IoT, 의료기기 포함) 제조업 등으로 구성된다.
국내 에너지 하베스팅 시장은 2016년 145.1억 원에서 연평균 3.5% 성장하여 2019년 161억 원 규모이며, 2019년 이후 연평균 1.9% 성장하여 2024년에는 176.8억 원의 시장규모를 형성할 것으로 전망된다.
세계 에너지 하베스팅 시장은 2016년 318백만 달러 규모에서 연평균 11.3% 성장하여 2019 년 437.8백만 달러 규모의 시장을 형성하고 있으며, 2019년 이후 연평균 10.1% 성장하여 2024년에는 708.2백만 달러의 시장규모를 형성할 것으로 전망된다.
2019년 기준 에너지원별 시장규모는 광전 에너지 하베스팅(201.9백만 달러, 46.1%), 진동 에너지 하베스팅(173.9백만 달러, 39.7%), 전자기파 에너지 하베스팅(9.9백만 달러, 2.3%) 그리고 열전 에너지 하베스팅(52백만 달러, 11.9%) 규모로 구성되어 있으며, 용도별 시장규모는 빌딩/홈오토메이션(316.2 백만 달러, 72.2%), 가전제품(16.1백만 달러, 3.7%), 산업용(67.1백만 달러, 15.3%), 운송(29.9백만 달러, 6.8%) 그리고 보안(8.5백만 달러, 1.9%) 규모를 차지하고 있다.
에너지 하베스팅 산업이 차지하고 있는 시장규모, 시장성장성, 장단기 시장전망, 수익성, 경 쟁강도, 수명주기 및 시장촉진/저해요인을 종합적으로 검토한 결과, 수익성은 ‘보통’인 것으로 판단되고, 제품 수명주기상 ‘성장기’에 해당하며, 법/규제 등 시장 환경은 ‘양호’한 수준으로 판단되어, 종합적인 에너지 하베스팅 산업의 시장매력도는 ‘보통’ 수준으로 판단된다.
5. 시사점[8]
에너지 하베스팅 기술 분야에서 태양광 발전을 제외하면 효율과 출력값이 낮아 기타 기술들의 상용화는 아직 미미한 실정이며, 현재 기술수준에서 에너지원별 응용 분야는 다음과 같다.
태양광 발전은 출력값이 높아 주로 배터리를 충전시키는 용도로 활용되고 있으나, 날씨 및 장소에 제약을 받기 때문에 축전기(Capacitor)나 배터리 등 추가적인 장치가 필요하며, 압전 발전은 변환 효율이 높고 출력 값이 수십 mW 정도로 양호한 수준으로 체내 삽입형 의료기기 또는 무선 센서 노드 등에 활용되기 적합하나, 적당한 출력 값을 내는 재료들이 인체 및 환경에 유해한 납 성분을 포함하고 있어 납을 포함하지 않으면서도 압전특성이 높은 재료의 개발이 요구된다.
현재 상용화된 열전 변환 시스템은 기존의 에너지 변환 시스템에 크게 밑도는 에너지 변환효율로 범용화가 어려운 실정이며, 군사 분야, 우주항공 산업 등의 특수 환경에서만 제한적으로 활용되고 있고, 웨어러블 디바이스 및 인공 피부, 센서 등에 사용되기 적합하나, 상용화를 위해 높은 변환효율을 갖는 소재 및 모듈 개발이 필요하다.
References
1. 열전발전시스템 기술동향. 반도체설계교육센터 Newsletter Vol. 233, 2016.
2. 에너지 하베스팅 기술. 융합 Weekly TIP Vol. 2, 2016.
3. Ambient RF 에너지 하베스팅 및 저전력 Backscatter 통신기술. 전자부품연구원, 2015.
4. 에너지 하베스트 기술과 IT용 디바이스 응용. 정보통신연구진흥원 Vol. 1 No. 3, 2015.
5. 에너지 하베스팅 기술의 종류 및 원리. 화학공학소재연구정보센터, 2015.
6. 하이브리드 에너지 하베스팅의 기술 및 시장 동향. 녹색기술동향보고서, 2014.
7. Energy Harvesting System Market-Forecast to 2025. MarketsandMarkets, 2020.
8. 에너지하베스팅 기술 동향 및 시사점. 한국에너지공단, 2017.
에너지 하베스팅(Energy Harvesting)은 태양광, 진동, 열, 풍력 등과 같이 자연적인 에너지원으로부터 발생하는 에너지를 미세하게 수확하여 전기에너지로 변환시켜 저장 또는 사용하는 일련의 기술을 의미하고, 에너지 변환 단계에서 적용되는 에너지 하베스팅 기술로는 광전, 열전, 압전 그리고 전자기파 변환 기술 등이 있다.
초기 에너지 하베스팅은 소자의 집적도 및 크기를 키워 효율을 높이고, 많은 양의 에너지를 생산하는데 주력하였으나, 최근에는 작고 휴대가 가능하며, 유연한 소자를 제조하는 기술들이 개발되고 있어 응용분야가 다양화 될 것으로 전망된다.
특히 무선 네트워크나 자동차의 소형 전자장치, 모바일기기 그리고 웨어러블 디바이스 등 저전력기기 중심의 보급이 활발해질 것으로 예상되며, 에너지 하베스팅 기술 보급 활성화, 탄소 배출 감소의 필요성 증대 그리고 사물인터넷(IoT) 기술 적용 증가 등이 에너지 하베스팅 기술의 성장을 견인할 것으로 예측되고 있다.
본 리포트에서는 최근 에너지 하베스팅 기술 수준, 관련 산업 동향, 시장 규모 그리고 시사점에 대해 소개하고자 한다.
2. 기술 동향[1~5]
2.1. 광전 변환
광전 변환 기술은 광전효과(Photoelectric Effect)를 이용하는 것으로, 에너지 하베스팅 기술 중에서 가장 먼저 개발되었고, 대표적인 것으로 태양전지를 이용한 태양광 발전 등이 있으며, 태양전지는 P-N 접합으로 구성된 반도체 소자로, 반도체의 밴드갭보다 큰 에너지의 빛이 입사되면 반도체 내부에 전자-정공 쌍이 생성되고, 생성된 전자-정공 쌍이 P-N 접합분에 형성되어 있는 전기장에 의해 서로 반대 방향으로 이동하면서 외부에 연결된 도선에 전류가 흐르는 원리로 구동된다.
빛을 흡수하는 소재의 종류에 따라 실리콘계, 화합물계, 유기계 등으로 구분되며, 상용화 순서에 따라 1세대(결정질 실리콘), 2세대(실리콘 박막, CIGS(구리, 인듐, 갈륨, 셀레늄 화합물) 및 CdTe 박막), 3세대 (염료감응, 유기) 및 차세대(양자전, 플라즈몬, 페로브스카이트)로 분류될 수 있다.
결정질 실리콘 태양전지가 가장 먼저 상용화 되어 태양광 시장의 90% 이상을 차지하고 있으며, 염료감응 태양전지나 유기태양전지를 건물일체형 태양광 발전 또는 모바일기기 등의 분야에 적용하기 위한 연구개발이 이뤄지고 있고, 최근에는 페로브스카이트(Perovskite : ABX3 화학식을 갖는 결정구조로, 부도체, 반도체, 도체의 성질은 물론 초전도 현상까지 보이는 특별한 구조의 금속 산화물)를 이용한 태양전지가 실리콘 태양전지를 대체할 태양전지로 각광을 받으며 연구가 활발히 진행되고 있다.
2.2. 압전 변환
압전 변환 기술은 최근 가장 주목받고 있는 에너지 하베스팅 기술로, 외부의 힘 또는 진동 등이 압전체에 가해지면 기계적 응력 또는 변형으로 전하가 발생하는 압전효과를 이용하여 전기에너지를 생산하는 기술로, 압전효과를 이용한 발전방식은 기존의 자석을 사용한 발전보다 작은 진동을 전기에너지로 변화하는데 용이할 뿐만 아니라 에너지 변환효율도 높은 장점이 있다.
압전재료는 세라믹계 물질 및 폴리머 그리고 이들의 복합재 등이 있으며, 결정 및 형태에 따라 단결정 및 다결정 재료, 박막 및 벌크 재료 등이 있고, 대표적인 세라믹 압전재료로 PZT (Pb(ZrTi)O3)가 있으며, 폴리머 압전소재는 PVDF(Poly-Vinylidene Di-Fluoride)가 많이 사용된다.
PZT(k=0.5)의 기계-전기 결합계수는 PVDF(k=0.2) 보다 큰 장점이 있으나, 폴리머에 비해 단단하여 작은 진동으로는 에너지 변환이 불가능하고, 취성이 있어 큰 변형에는 사용 할 수 없는 단점이 있다. 반면, 폴리머는 유연하여 큰 변위에 사용될 수 있으나, 기계-전기 결합계수가 작아 에너지 변환효율이 낮은 단점이 있으나, 최근에는 세라믹의 높은 기계-전기 결합계수와 폴리머의 유연성을 이용한 세라믹-폴리머 복합재료를 사용한 압전소재가 개발되고 있다.
우수한 압전재료는 높은 강유전(로첼염, 티탄산바륨 같은 물질로, 자발적인 분극을 가지며, 분극과 전계의 세기 사이에는 이력현상이 존재하는데, 이를 강유전 물질이라고 말하며, 자기 일그러짐 효과를 이용한 트랜스듀서, 자기증폭기 등과 유사한 용도에 적합한 물질) 특성을 가지며, 강유전재료를 폴링(Poling)하면 일정방향으로 자발분극을 가지게 되고, 분극이 배열 된 소재에 힘을 가하면 재료의 분극변화가 발생하며, 이때 압전재료를 외부저항과 연결하면 전류가 발생되는 원리로 구동된다.
압전 에너지 하베스팅 기기는 기본적으로 외부의 기계적 에너지를 압전재료에 전달 후 전기에너지로 변환시키고, 변환된 에너지는 전기적인 회로를 통하여 슈퍼 커패시터나 이차전지에 축전하는 과정으로 구성되며, 외부의 진동을 압전체로 전달하기 위해 기계적 임피던스 매칭(Impedance Matching, 전자기기에서 전기 부하의 입력 임피던스 또는 그와 일치하는 소스의 출력 임피던스를 설계하기 위한 방법)이 이루어져야 하고, 전기에너지로 변환하는 재료의 전기-기계 결합계수가 커야 하며, 생성되는 에너지를 외부회로로 전달하기 위해서는 전기적 임피던스 매칭이 되어야 하고, 마지막으로 생성된 교류 전압을 슈퍼 커패시터나 이차전지에 충전하기 위해서는 정류다이오드와 평활화 커패시터를 이용하여 직류로의 변환 과정을 필요로 한다.
최근에는 압전 에너지 하베스팅 기술을 군수용 발전장치, 의료용 장치의 보조 전원, 자동차의 이차 발전장치 그리고 웨어러블 디바이스 등에 적용하기 위한 연구가 진행 중에 있으며, 유비쿼터스 센서 네트워크(USN)의 에너지원으로도 검토되고 있다.
2.3. 열전 변환
열전소자는 온도차이 만으로 발전이 가능하고 가동부분 또는 구동부분이 따로 필요하지 않아 구조가 간단하며, 소자의 수명이 길고, 태양열, 지열, 폐열 등 열원이 존재하는 모든 곳에서 사용이 가능하다.
열전 변환은 서로 다른 두 종류의 금속 또는 반도체 재료의 양단에 온도차가 생기면 기전력이 발생하는 제벡효과(Seebeck Effect)를 이용한 기술로, 열에너지를 전기에너지로 변환시킬 수 있고, 반대로 전기에너지를 열에너지로 역변환이 가능하여 냉각소자로도 사용된다.
열전발전을 위해 사용되는 열전모듈은 복수개의 p형 및 n형 열전재료를 전기적으로는 직렬로, 열적으로는 병렬로 연결하여 제작하며, 열전모듈의 한 쪽 전극접합부를 고온으로 유지하고, 다른 한 쪽을 저온으로 유지하면, n 형 재료에서는 고온영역의 전자가 저온영역으로 이동하고 고온부의 전위가 높아지며, p형 재료에서는 정공이 고온영역에서 저온영역으로 이동하여 저온부의 전위가 높아지는 원리로 구동된다.
열과 전기의 흐름은 고온부 세라믹 기판 → 고온부 전극 → 열전재료 → 저온부 전극 → 저온부 세라믹 기판을 통해 이루어지고, 열전모듈의 구성에서 세라믹 기판/전극 접합부는 전기전도도가 낮고 열전도도가 높아야 하며, 전극/열전재료 접합부는 그 반대의 특성을 나타내야 한다.
온도 영역에 따라 성능지수(ZT, figure of merit)가 우수한 대표적인 열전재료로 상온계의 Bi-Te계 물질, 중온계의 Pb-Te계 물질 그리고 고온 영역의 SiGe 등의 비산화물계 합금이나 금속간 화합물이 있고, 조성이나 구조의 변화를 통해 성능지수의 향상과 성능지수 최고값의 온도 영역을 제어할 수 있으며, 열전발전용으로 내열성이 우수한 Skutterudite 화합물(CeFe4CoSb12등), Calthrate 화합물(Ba8Si46) 그리고 Half-Heusler 화합물((Zr, Hf, Ti)NiSn)이 새로운 소재로 부각되고 있다.
최근 새로운 열전재료의 개발은 나노구조화 열전재료에 집중되고 있으며, 나노구조화 열전 재료의 경우, 전기전도도는 크게 영향을 받지 않으면서 열전도도는 크게 낮출 수 있어 성능지수를 효율적으로 향상시킬 수 있는 재료로, 특히 저차원 나노구조 열전재료는 열전도도 저감 및 열기전력(제벡계수)의 향상이 가능하여 지속적인 연구개발이 이루어지고 있다.
국내의 경우 열전 에너지 하베스팅과 관련된 소재나 모듈 기술은 선진국에 비해 낮은 수준이고, 냉각용 열전소자의 경우 연구가 활발히 이루어지고 시장도 일부 형성되고 있으며, 발전용 열전소자는 국가 출연 연구소 및 대학을 중심으로 Bi-Te계 또는 Pb-Te계 열전재료의 효율을 높이기 위한 기초연구가 주를 이루고 있다.
2.4. 전자기파 변환
전자기파 변환 기술은 WiFi, 라디오, 무선통신과 같이 전자기파를 이용하는 무선네트워크가 공기 중에 전자기파의 잔여물을 남길 때, 이를 수집하여 에너지로 변환하는 기술을 의미하며, 전자기파 잔여물은 변동하는 자기장과 전기장으로 이루어져 있어, 전자기유도 법칙에 의해 안테나에 미약한 전류가 생성되고, 생성된 전류는 공진회로를 통해 증폭되어 사용 가능한 전류를 발생시키는 원리로 구동된다.
전자기파 에너지 변환 방식으로 다양한 기술이 개발되고 있는데, 미국에서는 1~100Hz의 주변 주파수에서 빔 공진에 의해 지지되는 자석/평판을 이용하여 빔 당 2μW의 전력을 수확하는 기술이 개발되었으며, 국내에서는 한국전력 전력연구원에서 배전설비 관리를 위한 사물인터넷용 무선센서에 전원선이나 전지 등을 사용하지 않고 전원을 공급할 수 있는 에너지 하베스팅 전원장치를 개발하였다.
WiFi Backscatter는 WiFi 지역에서 사용되지 않고 공기 속에 돌아다니는 떠돌이 전자파를 모아 전류를 공급하거나, 다시 네트워크에 연결할 수 있도록 하는 기술로, AP 라우터의 WiFi 신호를 이용하여 배터리가 없는 태그의 정보를 WiFi 단말기에 전송하여, WiFi Backscatter 태그가 수 μW의 동작전력으로 AP라우터의 WiFi 신호를 반사/흡수하여 WiFi 단말기로 신호를 전송할 수 있는 기술로, 극소량의 전기에너지만을 생산할 수 있고, 짧은 거리에만 에너지를 전달할 수 있는 단점이 있어, 여전히 많은 연구개발이 필요한 실정이다.
2.5. 자성유체 에너지 하베스팅
최근 주목받고 있는 자성유체(Ferrofluid, 자기장이 존재할 때, 강하게 자화(Magnetized)되는 액체)를 이용한 에너지 하베스팅 기술은 자기장이 존재하는 영역에서 기계적 에너지를 받을 때 생기는 자기 쌍극자 모멘트(Magnetic Dipole Moment, 자석과 같이 한 쪽은 N극, 반대쪽은 S극을 갖는 물질에서 발생하는 쌍극자 모멘트)의 변동에 의해 구동된다.
예를 들어, 재료가 외부 자기장을 받지 않을 때, 액체 안에서 쌍극자들이 무작위하게 배열되는데, 이 때 총자화(Magnetization) 값은 0이며, 여기에 외부 자기장을 가하면 액체 내부에 있는 자기 쌍극자가 외부 자기장의 방향으로 정렬되고, 정렬된 재료가 진동을 받아 출렁거리면 액체 내부에 있는 자기 쌍극자들은 변위를 갖게 되며, 변위를 가진 쌍극자들은 순자기선속(Net Magnetic Flux, 어떤 가상의 곡면에 작용하는 총자기력을 나타내는 물리량으로, 곡면의 넓이와 표면에 수직인 자기 장 성분의 곱)을 만들어내고, 이 선속이 액체 주변의 코일에 영향을 주어 전자기 유도 현상이 발생되고, 코일에는 전기가 흐른다.
여기에서 중요한 요소는 최대한 공명 진동수에 근접한 기계적 진동을 가하여, 진폭이 최대가 되는 표면파를 형성시키는 것으로, 최대 진폭의 표면파는 자기선속의 최대값을 발생시켜 높은 전류의 출력이 가능하기 때문이다.
자성유체를 이용한 에너지 하베스팅은 고형 자석이 아닌 나노 수준의 영구 자기 쌍극자로 구성된 액체 구조를 사용하므로, 액체가 담긴 컨테이너에 따라 소자 형태가 바뀔 수 있으며, 체내 또는 기계 부품 내부 등 접근 불가능한 영역에 주입될 수 있는 장점이 있으나, 출력값이 매우 낮고, 연구개발 초기 단계 기술로, 상용화를 위해 지속적인 기술개발 투자가 필요한 상황이다.
2.6. 마찰 에너지 하베스팅
마찰 전기는 두 개의 서로 다른 물질이 접촉하면 마찰 대전에 의해 표면이 대전되는 현상을 이용한 기술로, 마찰 에너지 하베스팅은 대전된 두 물질을 분리시켜 정전기 유도 현상에 의해 상하부 전극에 보상 전하가 축적되고, 이에 따라 전하 균형이 맞춰질 때까지 외부 전극을 통해 전류가 흐르는 원리로 구동된다.
마찰 전기를 이용한 에너지 하베스팅 기술은 출력값이 크기 때문에 작은 움직임을 통한 발전으로도 전기 소자를 작동시킬만한 충분한 전력이 생성되어, 다양한 형태의 소자 제조 및 작동 모드 제어가 용이한 장점이 있으며, 이를 이용해 압력, 화학 그리고 광학 센서 등 다양한 자가발전 센서로의 응용성이 제시되고 있다.
3. 업계 동향[6]
세계 에너지 하베스팅 시장은 Honeywell(미국), Siemens(독일), Microchip Technology(미국), Fujitsu(일본), ABB(스위스), Cymbet(미국), ST Microelectronics(스위스), Schneider(미국), Hager(독일), EnOcean(독일) 그리고 Qorvo(미국) 등이 참여하고 있고, Honeywell(미국), Siemens(독일), ABB(스위스), Fujitsu(일본) 등이 실질적으로 시장을 지배하고 있으며, 국내 시장과는 달리 태양광 발전 분야뿐만 아니라 압전/열전 변환 등 다양한 에너지 하베스팅 기술이 상용화되고 있다.
국내 에너지 하베스팅 시장은 태양광 분야에서 기술 상용화가 이루어지고 있으며, 그 외 기 술 영역에서는 정부 출연 연구소나 대학, 관련 기업에서 연구개발이 꾸준히 진행되고 있고, 대표적인 광전 변환 방식인 태양광 발전 관련 사업을 영위하고 있는 주요 업체로는 한화큐셀, 엘지전자, 엘에스산전, 신성솔라에너지, 오씨아이, 웅진에너지, 에스에너지 그리고 솔라파크코리아 등이 있다.
압전 변환 분야는 센불, 경원산업, 래트론, 지노소프트이노베이션 그리고 우광테크 등 중소업체들 위주의 시장참여가 이루어지고 있으며, 삼성전기, 삼성전자, 한국전기연구원, 한국과학기술연구원, 성균관대학교, 경희대학교 등 다양한 산학연 기관에서 기술개발을 진행하고 있고, 일부 상용화 단계에 진입하였으나, 여전히 성능 향상이 필요하여 추가적인 연구개발이 요구되고 있다.
열전 변환 분야는 엘지화학, 엘지이노텍, 제펠, 에이스테크 그리고 우창엔지니어링 등의 기업체에서 자체적으로 열전소자 및 모듈 기술개발이 이뤄지고 있으며, 이 외에 한국전기연구원, 한국기계연구원, 한국과학기술연구원, 대구경북과학기술원, 서울대, 연세대 등 다양한 산학 기관에서 관련 연구를 수행하고 있다.
4. 시장 현황[7]
에너지 하베스팅 산업은 신재생에너지 산업, 기술 중요도가 높은 산업, 자본집약적 산업, 시장 진입장벽이 높은 산업 그리고 기술 융/복합 산업의 특징을 나타내고 있으며, 후방산업은 에너지 변환 소재 및 부품(소자) 분야이고, 전방산업은 전기전자제품(IoT, 의료기기 포함) 제조업 등으로 구성된다.
국내 에너지 하베스팅 시장은 2016년 145.1억 원에서 연평균 3.5% 성장하여 2019년 161억 원 규모이며, 2019년 이후 연평균 1.9% 성장하여 2024년에는 176.8억 원의 시장규모를 형성할 것으로 전망된다.
세계 에너지 하베스팅 시장은 2016년 318백만 달러 규모에서 연평균 11.3% 성장하여 2019 년 437.8백만 달러 규모의 시장을 형성하고 있으며, 2019년 이후 연평균 10.1% 성장하여 2024년에는 708.2백만 달러의 시장규모를 형성할 것으로 전망된다.
2019년 기준 에너지원별 시장규모는 광전 에너지 하베스팅(201.9백만 달러, 46.1%), 진동 에너지 하베스팅(173.9백만 달러, 39.7%), 전자기파 에너지 하베스팅(9.9백만 달러, 2.3%) 그리고 열전 에너지 하베스팅(52백만 달러, 11.9%) 규모로 구성되어 있으며, 용도별 시장규모는 빌딩/홈오토메이션(316.2 백만 달러, 72.2%), 가전제품(16.1백만 달러, 3.7%), 산업용(67.1백만 달러, 15.3%), 운송(29.9백만 달러, 6.8%) 그리고 보안(8.5백만 달러, 1.9%) 규모를 차지하고 있다.
에너지 하베스팅 산업이 차지하고 있는 시장규모, 시장성장성, 장단기 시장전망, 수익성, 경 쟁강도, 수명주기 및 시장촉진/저해요인을 종합적으로 검토한 결과, 수익성은 ‘보통’인 것으로 판단되고, 제품 수명주기상 ‘성장기’에 해당하며, 법/규제 등 시장 환경은 ‘양호’한 수준으로 판단되어, 종합적인 에너지 하베스팅 산업의 시장매력도는 ‘보통’ 수준으로 판단된다.
5. 시사점[8]
에너지 하베스팅 기술 분야에서 태양광 발전을 제외하면 효율과 출력값이 낮아 기타 기술들의 상용화는 아직 미미한 실정이며, 현재 기술수준에서 에너지원별 응용 분야는 다음과 같다.
태양광 발전은 출력값이 높아 주로 배터리를 충전시키는 용도로 활용되고 있으나, 날씨 및 장소에 제약을 받기 때문에 축전기(Capacitor)나 배터리 등 추가적인 장치가 필요하며, 압전 발전은 변환 효율이 높고 출력 값이 수십 mW 정도로 양호한 수준으로 체내 삽입형 의료기기 또는 무선 센서 노드 등에 활용되기 적합하나, 적당한 출력 값을 내는 재료들이 인체 및 환경에 유해한 납 성분을 포함하고 있어 납을 포함하지 않으면서도 압전특성이 높은 재료의 개발이 요구된다.
현재 상용화된 열전 변환 시스템은 기존의 에너지 변환 시스템에 크게 밑도는 에너지 변환효율로 범용화가 어려운 실정이며, 군사 분야, 우주항공 산업 등의 특수 환경에서만 제한적으로 활용되고 있고, 웨어러블 디바이스 및 인공 피부, 센서 등에 사용되기 적합하나, 상용화를 위해 높은 변환효율을 갖는 소재 및 모듈 개발이 필요하다.
References
1. 열전발전시스템 기술동향. 반도체설계교육센터 Newsletter Vol. 233, 2016.
2. 에너지 하베스팅 기술. 융합 Weekly TIP Vol. 2, 2016.
3. Ambient RF 에너지 하베스팅 및 저전력 Backscatter 통신기술. 전자부품연구원, 2015.
4. 에너지 하베스트 기술과 IT용 디바이스 응용. 정보통신연구진흥원 Vol. 1 No. 3, 2015.
5. 에너지 하베스팅 기술의 종류 및 원리. 화학공학소재연구정보센터, 2015.
6. 하이브리드 에너지 하베스팅의 기술 및 시장 동향. 녹색기술동향보고서, 2014.
7. Energy Harvesting System Market-Forecast to 2025. MarketsandMarkets, 2020.
8. 에너지하베스팅 기술 동향 및 시사점. 한국에너지공단, 2017.