버리는 에너지를 모아라!
에너지 하베스팅
고호관 과학칼럼니스트
우리는 살아가는 데 필요한 전기를 만드는 과정에서 지구 환경에 상당한 부담을 안겨줍니다. 화석연료를 태우면 각종 오염 물질과 온난화를 일으키는 온실가스가 발생합니다. 원자력 발전은 위험한 방사성 폐기물을 만듭니다. 여러 신재생 에너지도 제각기 환경에 악영향을 끼칠 수 있습니다. 이런 나쁜 영향을 줄이려면 우리는 평소에 전기를 적게 쓰거나 효율적으로 사용해야 합니다.
주변에서 무의미하게 사라지는 소소한 에너지를 이용하는 것도 그렇게 할 수 있는 좋은 방법입니다. 예를 들어, 우리 주변에 있는 태양 에너지나 열에너지, 운동 에너지를 전기로 바꾸어 쓸 수 있다면 발전소에서 만드는 전기를 아낄 수 있겠지요. 이렇게 생활 속의 에너지를 전기로 바꾸어 쓰는 기술을 ‘에너지 하베스팅’이라고 합니다. 하베스팅(harvesting)은 ‘수확’이라는 뜻입니다. 주위의 에너지를 수확한다는 것이지요.
에너지를 수확할 수 있는 대상은 많습니다. 일단 우리 몸이 있습니다. 우리 몸에서도 에너지가 나옵니다. 열에너지는 그중 한 종류입니다. 우리 몸은 섭씨 36.5도를 유지하는 난로와 같습니다. 평소에 그 열은 피부 주변의 공기를 데우는 일밖에 하지 못합니다.
그런데 이 열을 이용해 전기를 만들 수 있습니다. 열전 효과를 이용하면 가능합니다. 열전 효과는 서로 다른 두 물질로 회로를 만들도 양쪽의 온도를 다르게 해주면 전기가 생기는 현상입니다. 열전 효과를 일으키는 재료로 옷을 만든다면 인체의 열을 이용해 전기를 만들 수 있습니다. 이런 전기로 휴대용 전자기기를 충전하거나 작동시킬 수 있지요.
우리가 움직일 때 생기는 운동 에너지도 있습니다. 손목시계 중에는 배터리가 들어있지도 않으면서 태엽을 일일이 감지 않아도 되는 종류가 있습니다. 이런 손목시계는 손목에 차고 활동할 때 움직이는 과정에서 저절로 태엽이 감깁니다. 우리 몸의 운동 에너지를 이용해 태엽을 감는 것이지요.
예전에는 자전거의 헤드라이트도 이런 방식을 사용했습니다. 자전거의 바퀴가 헤드라이트와 연결되어 있어서 바퀴가 회전하는 힘으로 전기를 만들어 불빛을 밝혔지요. 그래서 자전거가 빨리 달리는 빛이 밝아지고 멈추면 꺼졌습니다. 사람이 조금 더 힘을 써야 했지만, 배터리가 없어도 빛을 낼 수 있었습니다. 자전거는 페달을 밟으면 전기가 생겨 휴대기기를 충전할 수 있다면 어떨까요? 운동도 되고 에너지도 아끼고 일석이조가 아닐까요?
‘압전 소자(piezoelectric element)’를 이용해서 우리 몸의 움직임으로 전기를 만들 수도 있습니다. 어떤 물질은 눌려서 압력을 받을 때 전기가 흐르는 현상이 일어납니다. 이를 ‘압전 효과’라고 부릅니다. 사람이 많이 지나다니는 바닥이나 신발 바닥을 압전 소자를 이용해 만든다면, 사람의 발이 바닥에 닿을 때 생기는 충격 에너지를 전기 에너지로 바꿀 수 있습니다. 도로처럼 자동차가 많이 다니는 곳에 활용해도 됩니다.
▲많은 사람이 밟고 지나가는 땅에 압전 소자를 설치하면 전기를 만들 수 있다.
몸속 혈액의 흐름이나 혈액 속의 포도당으로부터 에너지를 얻는 방법도 있습니다. 포도당은 우리 몸이 에너지를 얻는 수단이기도 하지요. 이렇게 만든 전기 에너지는 인공심박동기나 생체 센서와 같은 몸속의 의료용 장치에 쓰일 수 있습니다.
자연 속에서 소소하게 스쳐 지나가는 에너지도 수확의 대상입니다. 소규모 태양광 발전이나 풍력 발전도 에너지 하베스팅에 해당합니다. 조그만 태양전지로 작동하는 계산기는 햇빛만 있으면 배터리 없이도 작동합니다. 작은 풍력 발전기도 센서처럼 전력이 적게 필요한 장치에 에너지를 제공할 수 있습니다.
우리에게 익숙한 태양광이나 풍력 외에도 과학자들은 기상천외한 곳에서 에너지를 찾고 있습니다. 건조한 날에 옷을 벗거나 뭔가를 만질 때 우리를 깜짝 놀라게 하는 마찰전기는 전압이 수만 볼트에 달할 정도로 강하지만, 지속 시간이 매우 짧습니다. 이런 마찰전기를 모아서 전기 에너지로 사용하려는 연구도 이루어지고 있습니다. 심지어는 특수한 안테나로 무의미하게 허공을 날아가는 전파를 수집해 전기를 생산할 수도 있습니다.
에너지 하베스팅으로 얻을 수 있는 전기 에너지의 양은 많지 않지만, 전력 소모가 적은 곳에 유용하게 쓸 수 있습니다. 이렇게 적은 에너지라도 조금씩 모아서 쓴다면 지구를 위협하는 에너지 문제를 해결하는 데 큰 도움이 될지도 모릅니다.
