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하이브리드 에너지 하베스팅의 기술 및 시장 동향_35
하이브리드 에너지 하베스팅의
기술 및 시장 동향
전남대학교 | 배영철 교수
Ⅰ. 개 요 ··········································································· 37
1. 에너지 하베스팅 기술의 정의 ································· 37
2. 에너지 하베스팅 기술의 분류 ································· 38
Ⅱ. 동향 분석 ··································································· 38
1. 국내 동향 ··································································· 38
2. 해외 동향 ··································································· 40
Ⅲ. 향후 전망 ··································································· 44
<참고문헌> ········································································· 44
하이브리드 에너지 하베스팅의 기술 및 시장 동향_37
하이브리드 에너지 하베스팅의 기술 및
시장 동향
전남대학교 | 배영철 교수
Green Technology Trend Report
Ⅰ. 개 요
1. 에너지 하베스팅 기술의 정의
에너지 하베스팅(Harvesting)이란 기기 주변의 환경 에너지, 태양과 바람과 같은 자연 에너지를
수거하여 사용한 기술을 말하는 것으로, 버려지거나 활용되지 않은 자원에서 에너지를 수확
(Harvesting) 또는 이용할 수 있는 것을 찾아 에너지를 재생산하는 것으로 주로 정도의
범위를 갖는다.1)
에너지 하베스팅은 에너지를 얻기 위해 사용하는 방법과 소자에 따라 <그림 1>과 같이 다양하게
나누어진다. 이들은 각 에너지 하베스팅 소자에 들어오는 기계적 진동 에너지, 자연의 빛 에너지,
폐열 에너지 등을 전기적인 에너지로 변환한 후 이를 사용하는 재생 에너지원이라고 할 수 있다.
자료: 전자통신동향 분석, 제23권, 6호, pp. 48-58, 20082)
<그림 1> 에너지 하베스팅 소자 종류
38_녹색기술동향보고서 (www.gtnet.go.kr)
2. 에너지 하베스팅 기술의 분류
에너지 변환 기구에 기초한 운동 에너지를 이용한 하베스팅 시스템들은 일반적으로 열전변환
기술(Thermoelectric energy harvesting), 압전변환기술(Piezoelectric energy harvesting),
생체역학변환기술(Biomechanical energy harvesting), 전자기에너지변환기술(Electromagnetic
energy harvesting), 정전기에너지변환기술(Electrostatic energy harvesting) 등으로 나눈다.
이 중 기계적 진동에서 얻을 수 있는 방법은 압전, 정전기, 전자기 방식이 대표적이다. 진동
기술과 관련한 에너지 하베스팅 기술은 주로 운동 에너지 하베스터에서 이동부의 변위, 외부 진동
또는 힘으로 인한 시스템 내의 몇몇 구조의 기계적 변형은 전기적 에너지로 변환된다. 운동
에너지는 인간 운동, 기계적 시스템 진동, 환경 운동과 같은 다양한 형태로 구성되며 주파수와
진폭에 크게 의존한다.
Ⅱ. 동향 분석
1. 국내 동향
가. 정전기 에너지 변환 기술
정전기 에너지 하베스터에서 외부 기계적 운동은 미리 충전된 커패시터 시스템에서 평판
사이의 상대적인 거리 변화 또는 중첩 변화에서의 결과인 관성 운동을 이용한다. 거리 또는
중첩 변화는 <그림 2>와 같이 커패시터에서 정전 용량이 변화하는 원인이 되며 이는 전압 또는
전하의 변화로 나타난다.
<그림 2> 정전기 에너지 하베스터의 전기적 모델3)
나. 압전 에너지 변환 기술
압전 발전기는 외부적인 힘 또는 진동이 압전 재료에 가해지면 기계적 응력 또는 변형으로
전하가 발생하는 것을 이용하는 것이다. 에너지 하베스팅에 사용하는 가장 일반적인 압전
재료는 PZT(Lead Zirconate Titanate)이다. 그러나 PZT가 납 성분을 포함하고 있으므로
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위험한 독성 물질로 분류되어 세심한 주의가 필요하다. 현재 압전 재료로 부상하고 있는
PVDF(Polyvinylidene fluoride)는 폴리머로서 긴 체인 분자 사이에 흡입과 반발로 인하여
압전 효과가 나타난다. 압전 하베스터의 일반적인 구조인 캔틸레버 설계는 <그림 3>과 같다.
<그림 3> 압전 트랜듀서 모델3)
압전 기술을 이용하여 에너지를 구한 국내 연구는 차량 하중 전달을 이용한 연구4), AIN
진동체를 이용한 연구5)가 있다.
다. 전자기 에너지 변환 기술
전자기 발전기에서 외부적인 힘 또는 진동이 도체와 자속 기울기에 상대적인 운동의 원인이
될 때 <그림 4>에서 보는 것과 같이 전자기 유도 원리를 통하여 전력을 생산한다. 전기적
전하가 자장 변화에 노출될 때 전계와 자계 벡터 사이의 상호 작용으로 인하여 전하는 렌츠의
힘으로 표시되는 힘을 얻는다.
<그림 4> 전자기 트랜듀서 모델3)
국내의 연구는 진동 구동식 원통형을 이용한 방법6) 이 대표적인 연구 방법으로 알려져 있다.
40_녹색기술동향보고서 (www.gtnet.go.kr)
라. 국내 시장 동향
에너지 하베스팅 관련 시장은 현재 주로 센서 네트워크용이 대부분이다. 국내 MEMS 센서
시장은 2012년 1,005억 원에서 2017년 2,010억 원으로 성장할 전망이다.7)
<표 1> MEMS 국내 시장 규모
(단위: 억원)
국내 시장 규모연평균 성장률
2012년 1016년 2017년1,005 1,748 2,010 14.9%
자료: KISTI Market report, MEMS 센서 시장 동향, 20137)
2. 해외 동향
가. 정전기 에너지 변환 기술
정전기 방식을 이용한 해외 연구자들의 에너지 하베스터의 대표적인 예는 MIT의 Meninger
연구팀3)에서 개발한 방식으로서 <그림 5>와 같은 정전기 MEMS 방식을 이용하여 8의
전력을 얻은 것으로 보고하였다.
<그림 5> Meninger의 정전 MEMS 방식을 이용한 에너지 하베스팅8)
나. 압전 에너지 변환 기술
일본의 (주)수도고속도로는 압전방식으로 압전 에너지 방식의 61cm × 30cm 에너지 하베스팅
모듈 10대를 고속도로에 설치하여 시간당 0.1W의 전력을 생산하는 것으로 보고하였다.
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다. 전자기 에너지 변환 기술
영국의 Sheffield 대학의 C.B William 교수는 전자기 방식에 의한 에너지 하베스팅 기구를
폴리이미드와 마이크로머신을 가지고 코팅한 GaAs로부터 멤브레인 막을 제조하고 SmCo
자석을 넣고 코일을 리프트-오프를 이용하여 물에서 분리하여 만든 방식으로 0.3의 전력을
생산하였다.9)
planar Au coil
2.5 mm
<그림 6> William의 전자기 방식에 의한 에너지 하베스팅9)
또한 아일랜드의 Cork 대학의 McCloskey 교수는 전자기 방식으로 사람의 움직임을 이용하여
에너지를 생산하는 방식을 제안하여, 걷고 있을 때 0.3~0.95, 달릴 때 1.86~2.46의
전력을 얻었다.9)
<그림 7> McCloskey 전자기 방식으로 사람의 움직임을 이용한 에너지 하베스팅10)
미국 미시건 대학의 K. Najafi 교수는 1~100Hz의 주변 주파수에서 빔 공진에 의해 지지
되는 자석/평판을 이용하여 빔 당 2의 전력을 얻었다.11)
<그림 8> Najafi의 자석/평판을 이용한 에너지 하베스팅11)
42_녹색기술동향보고서 (www.gtnet.go.kr)
라. 하이브리드 에너지 변환 기술
일반적으로 에너지 하베스팅 소자에서 얻어지는 전력의 범위는 정도의 범위를
갖는다. 지금까지 에너지 하베스팅과 관련하여 연구 개발된 방식과 여기에서 얻어진 전력량에
대한 결과를 <그림 9>에 나타내었다. 가운데 파란색의 요약선은 모든 기술들의 대략적인 평균
성능을 나타내며, 과거에 개발된 기술들의 평균 성능은 약 100 /1cc이다. 이 결과를 통해,
출력 전력량이 디바이스 체적에 비례하여 증가함을 알 수 있다.
<그림 9> 에너지 하베스팅 개발 방식과 얻어진 전력량4)12)13)
즉, 에너지 하베스팅 소자에서 더 큰 전력을 얻기 위해서는 소자의 체적이 커져야 한다.
그러나 압전, 정전기, 전자기 방식 모두 더 큰 전력을 얻기 위해 체적을 크게 해도 하베스터
소자에서 발생하는 전력량은 체적에 비례하지 않고 일정 체적 이후에는 포화한다는 문제점을
가지고 있다. 따라서 이러한 문제점을 극복하기 위한 방법으로 체적이 커지면 체적에 비례하여
더 많은 전력을 생산할 수 있는 기법인 유압 방식과 전자기 방식을 적용한 하이브리드 방식의
에너지 하베스팅 기법이 제안되었다.12) 이 기술은 기계적 진동에너지를 전기에너지로 변환하는
기술인 전자기 에너지 변환 기술과 유체의 흐름(Micro fluidic)을 조합한 기술이다.
유타대학(University of Utah)의 김한섭 교수팀은 Hydraulic 방식을 적용하여 <그림 10>과
같은 1채널용, 7채널용 에너지 하베스팅 기구를 이용하여 12mW의 전기를 생산하였다.
또한 김한섭 교수팀은 직선형으로 채널을 <그림 11>과 같이 구성하였을 경우에 <그림 11(가)>
에서 보는 것과 같이 외부에서 충분한 압력이 있어도 자속이 이동하는 거리는 채널의 길이에 대해
제한적이라는 문제점을 발견했다. 이 문제를 극복하기 위해서 채널을 직선형이 아닌 원형으로
구성한 새로운 원형 Hydraulic 방식을 <그림 11(나)>와 같이 개발하였다. 원형에서 발생하는 이동
거리는 동일 압력 하에서 54%를 더 진행하는 것으로 나타나서 더 많은 에너지를 생산하는 기법
임을 보고하였다.12)
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<그림 10> 1채널 및 7채널 에너지 하베스팅 기구12)
(가) (나)
<그림 11> 원형 채널 에너지 하베스팅 기구12)
마. 진동에 의한 에너지 하베스팅 방법의 비교 분석
지금까지 설명한 진동에 의한 에너지 하베스팅 방법에 대한 비교를 요약하면 <표 2>와 같다.
<표 2> 마이크로 규모의 에너지 하베스팅 비교12)
구분 Piezoelectric Electrostatic ElectromagneticFluidic +
Electromagnetic
휨작음
( <10µm )작음
( <10µm )큼
( ~1cm )매우 큼
( <10cm )
입력 힘매우 큼
( ~900N )작음
( <1N )중간
( ~10N )매우 큼
( <1000N )
전력 밀도높음
( ~100µW/cc )낮음
( ~10µW/cc )높음
( ~100µW/cc )높음
( ~1mW/cc )
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바. 시장 동향
Energy Harvesting & Storage for Electronic Devices 2011-2021, IDTechEx의 시장
보고서에 따르면 2011년 센서 네트워크용 세계 시장 규모가 160만개, 1,375만 달러로부터
2021년에는 44억 달러로 급격히 성장하고 1개당 가격은 평균 6달러 정도로 전망하였다.12)
Ⅲ. 향후 전망
기존에 개발된 마이크로 에너지 하베스팅 소자들은 일반적인 전자 시스템을 독립적으로 지원
하는데 불충분한 제한된 전력을 생산해왔다. 그 주된 이유 중 하나는 마이크로 소자가 적용할
수 있는 제한된 입력(힘과 편향) 범위로 인하여 상대적으로 약하거나 온건한 환경 자원에 초점을
맞추었기 때문이다.
최근 연구에서 몇몇의 예외 연구가 보고되었지만 이는 초소형 크기에 적용한 사례가 아닌
대규모 크기의 사례여서 초소형 소자에 적용하기에 적절하지 않은 것으로 판단된다. 이러한
문제점을 극복하기 위해서는 체적이 커짐에 따라 전력 생산도 비례적으로 커질 수 있는 방법인
유압 기법의 적용이 관심을 받을 것으로 예상된다. 그러나 해당 분야에 대한 연구가 세계적으로
진행되고 있지만 아직 초기 단계이므로 국내 연구자들이 연구 영역을 선점하기 위한 국가 차원의
연구비 지원과 이를 산업에 적용하기 위한 노력이 지속되어야 할 것으로 전망된다.
<참고문헌>
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FORCE AND LARGE DEFLECTION ACCOMMODATION”, The University of Utah, 2012
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논문지 23권, 5호, pp.424-428, 2010
6. 정귀상, 류경일, “진동 구동식 원통형 전자기 에너지 하베스터의 설계 및 해석”, 전기전자재료학회
논문지 23권, 11호, pp.907-910, 2010
7. 홍동숙, “MEMS 센서 시장 동향”, KISTI Market Report, Vol.3, No.4. pp.77-100, 2013
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Large Scale Integration(VLSI) Systems, No.1, pp.64-76, 2001
하이브리드 에너지 하베스팅의 기술 및 시장 동향_45
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13. IDTechEx, “Energy Harvesting & Storage for Electronic Devices 2011-2021”, 2011
