아래 그림은 저희 제품을 소개하는 소개서에 나오는 내용의 일부입니다. 



열전발전이 상용화되려면 열전발전 성능지수라 부르는 zT가 2.0은 넘어야 합니다. zT 2.0은 열전효율 10%라고 볼 수 있습니다. 즉 열에너지 100을 투입하면 전기에너지 10을 얻는다는 뜻입니다. 90%는 그냥 대기에 버려야 한다는 얘기입니다. 

더구나 위 그림에 나와 있듯이 현재 열전발전 효율은 5% 수준입니다. 대체에너지원으로 일상생활에 적용하기에는 아직 어렵다는 뜻입니다. 

그래서 이 효율을 높이기 위한 노력을 여러 연구소나 기업들이 하고 있는데 주로 열전발전에 사용하는 소재를 개발 또는 업그레이드하는 분야에 집중돼 있습니다. 


그런데 휴모트가 개발한 열전소자는 zT가 무려 4.0 입니다. 열전발전 효율이 20%입니다. 이 정도면 직접적인 상용화는 물론이고 온도차가 적은 체온발전에도 바로 적용할 수 있는 수준입니다. 

수백도의 열원이 존재하는 발전소, 플랜트, 제철소 등이라면 기존 전원을 대체하고도 충분할 만큼 새로운 전기를 만들어낼 수 있다는 겁니다. 


휴모트는 어떻게 이런 높은 효율이 나오는 열전소자를 만들 수 있었을까요? 

휴모트는 타 기업, 기관들과 다르게 방향을 잡았습니다. 무엇보다 새로운 소재를 개발할 만큼 자금이나 인력이 여유있지도 않을 뿐더러 그 길은 너무 멀다고 보기 때문입니다. 그래서 기존 열전발전 소재를 사용하는 대신 단위면적당 소자의 집적도를 높이는 기술 개발에 집중했습니다

2년여 집중적으로 자금과 인력을 투여해서 많은 시행착오와 테스트를 거쳤고 그 결과로 나온 것이 다음과 같은 다양한 집적도를 갖춘 휴모트의 열전소자 모듈들입니다. 기존 소자와 비슷한 수준의 집적도(144/㎠)부터 1,600/㎠ 수준의 초 고집적도 소자까지 만들 수 있게 되었습니다. 


< 휴모트가 개발한 다양한 수준의 열전소자>



아마 이 정도 초 고집적도 열전소자는 휴모트가 거의 세계최고·최초가 아닐까 싶습니다. 기존 소자 제조 공정을 대폭 축소, 개선하고 휴모트만의 고유한 집적 기술과 노하우를 결합해서 이루어낸 성과입니다. 


물론 이제 시작일 뿐입니다. 일단 개념을 실제로 구현했다는 점에서 의의가 크지만 아직 샘플 수준일 뿐입니다. 이제 본격적으로 양산 체제를 구축하고 상용화된 제품을 만들어내야 하는 과제가 기다리고 있습니다. 

하지만 휴모트가 강소기업으로 가는 어려운 첫 발걸음을 떼면서 제일 중요한 단계를 넘어섰다는 점에서 큰 의의가 있다고 생각합니다. 

조만간 휴모트가 선보일, 타이니테그(TinyTEG)를 적용한 무전원 무배터리 제품을 기대해주세요~ ^^ 

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오랜 잠수를 끝내고 블로그를 다시 시작합니다^^ 


사실 그동안 공유하고 싶은 이런저런 회사 소식, 기술 얘기들이 여럿 있었지만 한번 손을 놓고 나니 다시 글로 풀어내기가 쉽지 않았습니다. 일인다역을 하는 작은 기업의 특성상 시간의 확보가 쉽지 않은 상황도 영향을 미쳤습니다. 새롭게 의욕을 부려볼까 합니다! ㅎㅎ 


간만에 올리는 첫 소식은 역시나 우리 회사의 차세대 주력 아이템인 열전발전 제품 개발에 대한 내용입니다. 

지난 2년 동안은 휴모트가 본격적으로, 집중해서 열전발전 기술 개발에 투자한 시기였습니다. 총 투자액만 10억원이 들어가는 큰 프로젝트였다고 할 수 있습니다. 

중소기업에서 기술 개발에 이 정도 자금을 투여하는 게 쉽지는 않죠? 저희도 마찬가지였습니다. 기술력과 노하우는 있지만 돈이 없어 아까운 세월만 흘려보내다 우연찮게 정부출연사업에서 저희와 꼭 맞는 과제가 있길래 신청했다가 덜컥 선정이 되었습니다. 운이 좋았죠^^ 

덕분에 2년 동안 개발에 필요한 장비, 원재료, 기술인력 채용 등에서 많이 도움을 받았고 연초에는 개발완료 과제에 대한 현장 실사도 받았습니다. 



< 현장실사 중인 과제 담당자분들과 휴모트 대표이사>



< 클린룸과 연구개발에 사용하는 각종 장비들>



그리고, 아래 사진은 2년간의 정부과제로 진행해서 개발한 시제품들을 모아놓은 모습입니다. 



이번 개발과제는 휴모트가 개발하고 있는 열전소자인 타이니테그(TinyTEG)와 센서, 통신을 결합한 무선센서네트워크(TinyTEG-WSN)였습니다. 사진에서 보이듯이 Zigbee, LoRa, WiFi 등 다양한 통신방식을 열전소자 내장 무선센서와 결합해서 많은 센서를 네트워크로 편리하게 관리할 수 있는 제품입니다. 여기서 핵심이 바로 열전발전 기술을 적용한 TinyTEG 모듈입니다. 


가정이나 공장, 사무실, 야외 등 어디에서든 센서를 이용한 데이터 수집과 분석이 늘어나고 있습니다. 어떤 환경이나 조건에서도 쉽게 설치할 수 있어야 하고, 한번 설치하면 유지보수 이슈가 가능한 적어야 하고 안정성이 높아야 한다는 게 무엇보다 중요합니다. 

그러기 위해서는 센서의 물리적 안정성 뿐만 아니라 설치와 관리의 편의성도 중요한 이슈가 됩니다. 이런 요구사항을 만족시키는 데 필요한 조건이 무배선(Wireless), 무배터리(Battery-less)라고 할 수 있습니다. 

사실 이 둘은 연결돼 있습니다. 센서를 작동하기 위해 일일이 전선을 연결해서 전원을 공급해야 한다면 활용도가 매우 낮아지기 때문에 그 대안으로 배터리를 사용합니다. 그리고 배터리 교환주기를 늦추기 위해서 통신주기를 늘리거나 저전력 통신방식을 채용해서 가능한 오랫동안 배터리를 사용할 수 있도록 노력하고 있습니다. 

그렇지만 결국 언젠가 배터리는 교체해야 하고, 그때가 되면 수많은 센서의 배터리를 일일이 교체하는 데 들어가는 비용과 시간이 만만치 않게 됩니다. 


이번에 휴모트가 개발한 TinyTEG-WSN이라는 무선센서네트워크는 이런 근본적인 문제점을 해결하기 위해서 등장했습니다. TinyTEG 모듈을 이용해서 작은 온도차에서도 꾸준히 열전발전으로 전기를 생산해서 충전하는 방식입니다. 따라서 배터리가 필요없거나, 배터리와 함께 사용하여 물리적인 한계에 이를 데까지 배터리를 교환할 필요가 없게 됩니다. 


                   

    



            < TinyTEG-WSN 조립도와 실제 제작된 모습>



여기서 이 분야를 좀 아시는 분들은 당연한 궁금증이 생기게 됩니다. 

제베크 효과를 이용한 열전발전은 아주 오래전에 발견된 현상이고 이미 열전발전 소자도 많이 있고 외국에는 상용제품도 나와 있습니다. 즉 휴모트가 만들었다고 특별한 것도 아니고 처음도 아니라는 얘기입니다.^^ 

그런데 왜 지금까지는 이런 제품이 없었을까요? 과연 어떤 어려움때문에 휴모트가 2년동안 많은 비용을 투자해서 만들어내야 했을까요? 

과연 이렇게 만든 제품이 실제 현장에서 사용할 만큼 시장성이나 상품성이 있는 걸까요?


이건 다음 편에서 계속하겠습니다. ^^ 

 


 


 

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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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