한반도가 흔들리고 있습니다. 수십 년만에 찾아온 강력한 지진때문입니다. 한번이면 그럴 수도 있겠다 하면서 냉정을 찾겠지만, 이게 끝이 아니라 더 큰 지진의 전조일 수 있다고 하니 점점 공포감이 커져만 갑니다. 

정부가 보여준 늦장대처, 부실한 대응 매뉴얼, 오래된 건물들의 내진설계 문제, 경주 일대에 건설중인 방폐장과 그 주위의 원자력발전소의 방사능 누출 우려 등 걱정과 우려, 공포가 쌓여만 갑니다. 


드디어 비상배낭, 손전등, 수동으로 충전하는 전화기, 배낭, 통조림 등 비상시 버틸 도구를 준비하는 시민들도 생기고, 일본이 만든 지진 대응 매뉴얼이 온라인에서 퍼져 나갑니다. 

제가 사는 서울의 아파트에서도 두 번 진동을 느꼈기에 더 강력한 진동을 느낀 분들의 공포감이 충분히 이해가 갑니다. 


이런 재난 상황을 맞이하면서 휴모트가 열전발전의 첫 모델로서 검토했던  스마트폰 케이스의 유용함을 새삼 느꼈습니다. 

 

< 휴모트의 자가충전 스마트폰 케이스> 



폰케이스와 보조배터리가 결합된 형태입니다. 국내에서는 케이스와 별도로 보조배터리만 주로 사용하지만, 가까운 일본만 해도 대용량 배터리가 결합된 케이스가 용도별로 출시되어 있습니다. 

오랫동안 충전을 하지 못하는 상황, 즉 오랜 야외활동, 여러 날 전기가 없는 곳에서 지내야 하는 경우, 그리고 휴대폰을 보호해야 할 격한 활동을 하는 경우 등입니다. 산악, 해상, 군부대 등이 대표적인 경우입니다. 


그러나, 대용량 배터리와 케이스가 결합된 형태라 배터리를 좀더 오래쓸 수 있긴 하지만 결국은 전원 충전이 필요합니다. 

휴모트는 케이스 내에 열전소자를 내장하기 때문에 온도차가 발생하는 상황에서 꾸준히 자가충전을 하게 됩니다. 즉 별도의 전원 공급이 없더라도 배터리를 충전할 수 있기 때문에 급하거나 극한 상황에서 훨씬 유용합니다. 


이번 지진을 겪으면서 이런 제품의 필요성을 다시 한번 느끼게 되었습니다. 최근 개봉한 재난 영화 <터널>에서도 휴대폰 배터리가 떨어져 외부세계와 소식이 끊기는 모습을 보면서도 남 일 같지가 않았습니다. 

세상 어디서든 존재하는 열, 그리고 물체 양단에서 생기는 열의 온도차를 이용한 열전발전 기술이 소중한 목숨을 구하는 데 중요한 역할을 할 수 있겠다는 생각이 들었습니다. 



아직 컨셉만 구상한 상태라 본격적인 개발에 들어가진 않았지만, 이번 지진 사태를 계기로 좀더 구체적으로 개발과 상품화를 생각하게 됩니다. 



< 생명을 살리는 기술, 충전에서 자유로운 제품 > 


 






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이건 개인적인 경험에서 나온 생각입니다. 


온도차를 이용해 전기를 생산하는 열전발전 소자가 있으면 전원으로 사용하는 배터리 없이도 영구적인 자가발전이 가능합니다. 따라서 이 기술이 적용될 분야는 배터리를 사용하거나 전원이 필요한 기기는 모두 대상이니 무궁무진합니다. 


하지만, 눈에 띄지는 않지만 특별히 이 기술이 적용되었으면 하는 분야가 있습니다. 바로 의료 분야인데요, 그 중에서도 심박조율기나 인공심박동기를 꼽고 싶습니다. 

이름에서 알 수 있듯이 이것은 심장이 규칙적으로 뛸 수 있도록 가슴에 삽입하는 인공 보조기구입니다. 



< 인공심박동기 >  출처 : wikipedia 



이 기구도 작동을 위해서는 전원이 필요하기 때문에 배터리가 내장돼 있습니다. 문제는 배터리의 수명이 다하면 다시 심장을 열어서 배터리를 교체해줘야 한다는 것입니다. 물론 몇 년에 한번 간단한(?) 수술로 교체하면 된다고 하지만, 배터리를 바꾸기 위해 수술을 해야 한다는 건 부담스러울 수 밖에 없습니다. 


제 가까운 친척분께서도 이 심장박동기를 삽입했었습니다. 피의 흐름이 원활하지 못하다보니 몸의 절반을 거의 제대로 가누지 못할 정도가 되었는데, 그때 그 치료 수단으로 심박동기를 몸에 넣게 되었습니다. 

그때 병문안을 갔던 제게 그 분이 하시던 말씀이 아직도 기억에 남습니다. 

"이제 이거 없으면 심장도 안 뛰어. 난 기계야". 


어찌보면 농담삼아 던지려 했던 말씀인 것 같았는데 그 말을 하자마자 당신께서 눈물을 주룩 흘리시는 거였습니다. 놀라기도 하고 당황스럽기도 했고 의료기술이 그 정도까지 발전했구나 하는 경이로움이 뒤섞여 아직도 기억에 남는 듯 합니다. 


그래서, TinyTEG라는 이름으로 이 열전소자의 시제품을 만들어놓고 먼저 떠오른 것이 지금은 세상을 떠나신 그 친척분이었습니다. 적어도 한번 수술한 가슴을 배터리 때문에 다시 열 필요는 없게 하고 싶다는 생각이 간절합니다. 

휴모트의 모토인 <사람을 행복하게 하는 기술>은 이런 게 아닐까 생각합니다.  

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지난 글에 이어서 TinyTEG의 작동 영상을 소개합니다. 


이번에 만든 샘플 모듈은 가로x세로가 약 5cm x 6cm 정도입니다. 크다면 크고 작다면 작습니다. 

물론 실제 적용할 기기의 크기나 스펙에 따라서 이보다 더 작고 얇게 만들거나 더 크고 두텁게 만들 수도 있습니다. 




< TinyTEG 열전발전 모듈>


앞서 말씀드린 것처럼 열전발전은 두 지점 간의 온도차를 이용해서 열을 전기로 바꾸는 방식입니다. 바로 '제베크 효과'(Seebeck Effect)라고 하죠. TinyTEG도 제베크 효과를 이용해서 만든 모듈입니다. 

TinyTEG에는 배터리도 없고 연결된 전원도 없습니다. 순전히 온도차만으로 전기를 생산해 전구를 밝힙니다. 


백문이 불여일견!, 아래 작동 영상을 보시면 이해가 빠를 겁니다. ^^ 






위 동영상을 보시면 손이나 냉수만으로도 불이 들어오는 것을 확인할 수 있습니다. 그리고 모듈을 뒤집으면 불이 꺼지는 걸 볼 수 있습니다. 앞서 말씀드린 것처럼 이것은 온도차를 이용한 발전방식이기 때문에 앞뒷면의 온도차가 줄어드면 전자의 움직임도 줄어들면서 열전발전도 멈추게 되기 때문입니다. 


이미 이런 종류의 열전소자는 국내외에서 구입해서 사용할 수 있습니다. 그런데, TinyTEG가 기존에 나와 있는 열전발전 모듈(또는 소자)과 차이점이라면, 열을 전기로 바꾸는 과정에서 발생하는 열 손실을 최소화하고, 모듈 내부에 전압을 증폭시켜주는 부스터가 내장돼 있어서 수 밀리볼트(mV)를 수 볼트(V)까지 바로 승압해준다는 점입니다. 또한 낮은 온도차(5도)에서도 전기를 생산할 수 있다는 것도 중요한 차이점입니다. 

그래서, 열 온도차가 크지 않은 환경이나 작은 센서에도 전기 공급이 가능해 바로 적용이 가능하다는 것이 가장 큰 장점이고 경쟁력입니다. 


집, 사무실, 공장, 아파트, 발전소, 산간오지, 험지 등 어떤 다양한 환경에서도 배터리 충전이나 교체, 전원 연결의 고민없이 손쉽게 기기를 장착하거나 무선센서 네트워크를 구축할 수 있습니다.  




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“사물인터넷(IoT)의 핵심은 배터리다. 이제는 BoT(Battery of Thing) 시대다”.  


조남성 삼성SDI 대표가 작년 10월에 열린 한 행사의 기조연설에서 한 말입니다. 사물인터넷의 등장으로 다양한 기기와 센서가 설치되면서 안정적이고 지속적인 전원 공급이 중요해지고 있기 때문입니다.


IoT의 확산으로 몇 년내에 조 단위의 센서가 설치될 것으로 예상되는 상황에서 모든 센서에 전원을 공급하기 위해 선을 연결하거나 배터리를 장착한다는 것은 불가능하죠.

그래서 최대한 배터리를 작고 오래 사용할 수 있도록 개선하거나, 열, 압력, 전파, 소리 등 다양한 자연의 에너지원을 이용해서 전기를 생산하는 방법도 탐구하고 있습니다.


열전발전(thermoelectric generation)은 그 중에서도 가장 상용화에 가깝게 접근해 있는 대체 에너지 기술입니다. 이것은 두 접점 사이의 온도차로 인해 생기는 전위차에 의해 전류가 흐르게 되는 현상(제베크 효과, Seebeck Effect)을 이용하여 전기를 생산하는 방식을 말합니다.






그동안 열전발전은 대체에너지의 한 종류로서 꾸준히 관심을 받아왔던 기술이었지만 에너지 변환효율이 10%를 넘지 못해서 그동안 주로 고열이 발생해서 온도차가 높은 경우에만 적용되어 왔습니다.


하지만, 저희 회사가 이번에 개발한 모듈은 열 효율을 대폭 올릴 수 있어 바로 상용제품에 적용이 가능합니다. 이름하여 타이니테크(TinyTEG)입니다. 매우 작은 열전발전 소자라는 뜻입니다. ^^



< TinyTEG 구성원리 > 



일반적으로 낮은 온도차에서 열전발전소자의 출력 전압은 수 밀리볼트(mV)에서 수십 밀리볼트에 불과해 바로 구동전압으로 사용할 수가 없습니다. 그러나 TinyTEG는 고밀도로 발전전압을 높이고 승압회로까지 내장하고 있어 수 밀리볼트를 볼트(Volt) 수준으로 승압하기 때문에 바로 구동전압으로 사용할 수 있습니다.


이번 TinyTEG의 성능 테스트 결과, 열원과 외기의 온도차가 3℃ 이상일 경우에는 LED의 구동이 바로 가능하고, 온도차가 5℃ 이상일 경우에는 무선센서의 송수신 통신이 가능한 수준으로 나타났습니다.


다시 말해 일반적인 소형 센서에는 바로 적용이 가능해서 배터리의 수명을 거의 반영구적으로 늘릴 수 있고, 아예 배터리 없는 기기를 만들 수 있다는 뜻도 됩니다.


무엇보다 이런 기술이 적용되어 자가발전이 되는 기기가 나오게 되면, 폐배터리로 인한 환경 오염을 막을 수 있고, 사람이 접근하기 힘들거나 위험한 장소에 센서를 설치하기 위해 전원작업을 하거나 배터리를 교체할 필요가 없어지기 때문에 사람이 다칠 위험을 줄여 준다는 것도 큰 의의가 있습니다. 이것이 휴모트가 지향하는 ‘사람을 행복하게 기술’입니다. ^^


다음 편에는 테스트 중인 TinyTEG 데모 영상을 올려드리겠습니다.  








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열을 전기로 바꾸는 열전발전 기술을 생활에 응용하기 위해서는 좀더 많은 연구와 효율성 개선이

필요합니다.
휴모트도 이 분야에 관심을 가지고 노력을 하고 있는데요, 오늘은 간단한 데모 영상을 소개드립니다.



열전소자를 이용해서 열이 어떻게 소량이나마 전기로 바뀌는지 확인할 수 있습니다.

촛불과 체온만으로도 전기를 만들 수 있습니다.

물론 소량의 전기에너지여서 산업용이나 업무용으로는 어렵겠지만, 생활에서 필요한 전기를 얻는데는

의미가 있을 것 같습니다.


< 체온을 이용한 열전발전 >





< 촛불을 이용한 열전발전 >






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IT 업계의 주요 이슈 중의 하나이고 생활에도 큰 변화를 가져올 기술을 들라면 단연

사물 인터넷(Internet of Things)을 첫 손가락으로 꼽을 수 있겠습니다.
정보 기술 연구 및 자문회사 가트너에 따르면 2009년까지 사물 인터넷 기술을 사용하는 사물의

개수는 9억개였으나 2020년까지 이 수가 260억 개에 이를 것으로 예상하고 있고, 시스코 시스템

즈의 조사에 따르면 2013년부터 2022년까지 10년간 사물 인터넷이 14조 4천 달러의 경제적 가치를

창출할 것으로 예상하고 있기도 합니다. 

(출처 : 위키백과 https://ko.wikipedia.org/wiki/%EC%82%AC%EB%AC%BC_%EC%9D%B8%ED%84%B0%EB%84%B7)   

IoT는 말그대로 다양한 사물들에 센서와 통신기능을 내장해 상호 연결해 제어할 수 있도록 한다는

개념을 말하는데, 센서나 통신기술은 이미 있기 때문에 기술적인 어려움은 그다지 많지 않다고 할

수 있습니다. 다만, 실용성이나 보안 이슈의 측면에 더 관심을 두고 있습니다. 

우리나라에서도 새로 짓는 아파트에서는 집안의 가전제품들에 IoT 개념을 적용해 스마트폰으로

원격에서 제어하는 등의 시범적인 모델을 선보이고 있습니다.  
깜빡하고 다리미 코드를 빼지 않고 나왔을 때 외부에서 전원을 차단할 수도 있고, 휴가기간

빈집 처럼 보이지 않도록 일정 시간에 조명이 켜지도록 세팅할 수도 있고, 집안 내부를 카메라로

확인할 수도 있을 겁니다.


그런데, 여기에는 눈에 띄지는 않지만 중요한 이슈가 있습니다. 바로 센서가 작동하고 통신을

하기 위해서는 지속적으로 전기 에너지가 공급되어야 한다는 점입니다. 냉장고, TV처럼 지속적으로

전기가 공급되는 기기에 내장된 센서는 문제가 없겠지만, 부착형이나 센서 자체가 독립적으로

존재하면서 작동해야 하는 경우에는 이 전기에너지를 어떻게 공급해야 하는가가 중요한 이슈가 됩니다. 


모든 센서에 전기콘센트를 연결할 수는 없으니 결국 소형 건전지를 배터리로 활용해서 전기를 공급해야

합니다. 결국 센서 크기는 전적으로 이 건전지의 크기에 종속되고, 주기적으로 건전지를 교체해줘야

하고, 폐건전지 배출에 따른 환경오염도 문제가 됩니다.  

이 지점에서, 버려지는 열을 전기로 바꿔주는 열전발전(Thermoelectric generation)의 필요성과

실용성이 부각됩니다. IoT 시스템에서 사용하는 센서는 대부분 소형이며 필요한 전력도 그리

높지 않습니다. 말그대로 매우 적은 전력만 공급되어도 충분히 작동하기 때문에 그동안 효율성이

낮아서 실용성이 떨어졌던 열전발전이 의미를 갖게 됩니다.

여기에는 태양열을 비롯해 태양광같은 빛, 바람, 진동, 자성, 그리고 온도차를 이용한 발전까지

다양한 에너지원을 사용할 수 있습니다.  


그리고, 센서가 작동하는 환경이 매우 다양하기 때문에 단지 태양광이나 열에만 의지하기에는

부족합니다. 그래서, 온도차, 빛, 진동 등 자연환경에서 발생하는 다양한 에너지원을 모두 활용해서

전기에너지로 변환할 수 있는 기술과 부품이 필요합니다. 

열전소자(thermoelectric element)가 이미 그런 역할을 담당하고 있지만, IoT에서는 소자가 필요한

환경이 매우 다양하므로 좀더 다양한 에너지원을 모아서 전기에너지로 변환하는

시스템(Energy Harvesting System)이 요구됩니다.


< 출처 : https://flic.kr/p/eMcSMG >


가슴을 관통하는 것 같은 쓸쓸한 가을바람, 눈부시고 포근한 봄볕, 지친 어깨를 감싸주는 따뜻한

손길... 이 모든 것이 말 그대로 에너지로 새롭게 태어나게 됩니다. 

어디서부터 시작될지는 모르겠습니다만, 휴모트도 이미 준비하고 있습니다. 

아주 가까이서 친환경에너지의 모습을 보게 될 날을 기다려주세요. ^^

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연일 푹푹찌는 날씨가 이어지고 있습니다. 열대야도 정말 힘들지만 차량을 운행하는 분들에게 힘든 것 중 하나가 이렇게 햇볕이 뜨거운 날씨에 야외에 주차해둔 차량에 탑승하는 걸 들 수 있겠습니다. 

프라이팬처럼 뜨겁게 달궈진 차량은 생각만해도 후덥지근합니다. 그래서 앞뒷문 모두 열어놓고 에어컨은 최대풍량으로 맞춰서 한동안 열이 식을 때까지 밖에서 기다리기도 하죠. 


휴모트가 차세대 아이템으로 관심을 갖고 연구개발을 진행하고 있는 분야가 이런 자연에너지를 전기에너지로 활용하는 기술에 대한 것입니다. 

저 뜨거운 열에너지를 전기에너지로 바꿀 수 있다면, 전기자동차의 배터리도 훨씬 작아질 수 있고, 차량에서 사용하는 다양한 주변장치들을 차량용 배터리와는 별도로 생산되는 전기로 구동시킬 수 있겠죠. 또는 저렇게 열에너지로 뜨거워진 차를 다시 전기에너지로 식힐 수도 있을 테구요. 

물론 그동안 열전발전에 대한 노력은 꽤 오랜 역사를 기록하고 있습니다. 여전히 열을 전기로 바꾸는 에너지 효율이 10%가 채 되지 않는 것이 가장 큰 장벽이기도 합니다. 






이렇게 자연에서 발생하는 각종 에너지원을 포집해서 사용가능한 전기에너지로 변환하는 것을 에너지 하베스팅(Energy Harvesting)이라고 합니다. 이걸 시스템으로 만들면 에너지 하베스팅 시스템이 되구요. 

대표적으로 알려져 있는 게 태양열, 풍력, 조력이 있지만, 그외에도 빛, 진동, 자장, 체온 등 작지만 에너지로 변환할 수 있는 다양한 에너지원이 존재합니다. 


그동안은 태양광패널이나 풍력발전기, 조력발전기 등 대규모 장치를 이용해서 화력이나 원자력을 대체하는 친환경에너지 개발에 관심이 집중되어 있습니다. 하지만, 일상적으로 발생하는 미세한(micro) 에너지원을 이용해서 생활에 필요한 전기에너지로 활용하는 것도 점점 중요한 이슈로 등장하고 있습니다. 



대표적으로 스마트폰의 배터리를 들 수 있습니다. 배터리 하나로 하루종일 사용하기가 힘들죠. 배터리는 방전되고 급한 연락을 하려해도 마땅히 충전할 데가 없어서 발을 동동거린 분들도 많이 있을 겁니다. 그래서 보조배터리를 갖고 다니는 경우도 많습니다. 

그런데, 가령 스마트폰 케이스에 열을 에너지로 변환하는 열전소자(thermoelectric element)를 내장해서 내장배터리를 충전할 수 있다면, 보조배터리를 가지고 다녀야 하는 불편함도 없어지고 비상시 매우 쓸모있는 에너지가 될 수 있습니다. 


그외에도 집안이나 사무실을 새삼스레 둘러보면 온통 건전지나 전기가 필요한 장치들 투성이라는 걸 알 수 있습니다. 리모콘, 무선전화기, 전자계산기, 무선마우스, 키보드, 장난감, 랜턴 등등. 이렇게 소규모 에너지로 작동되는 기기들을 자연에 존재하는 열원을 전기로 변환해서 충전할 수 있다면 에너지 절약과 환경보호, 편리함을 모두 잡을 수 있을 겁니다. 


휴모트는 사람을 행복하게 하는 기술은 물론, 자연도 지킬 수 있는 기술로서 에너지 하베스팅 분야의 연구개발에 힘쓰고 있습니다. 약간의 개선이 아니라 근본적인 혁신을 목표로, 세계시장에서 통할 수 있는 기술과 제품을 보여드리겠습니다. 

무더운 여름, 태양열 에너지로 심신을 충전하세요~^^



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