[미국] 나노기술을 이용한 지구 적외선 방출로부터 전력 에너지 수확 기술 개발
태양이 지면 태양 에너지 수확을 위한 태양 패널은 작동하지 않는다. 그러면 어떤 에너지 소스로 밤에 전력을 공급할 수 있을까? 하버드 대학의 물리학자들은 이제 지구의 적외선 방출을 이용하여 에너지를 얻을 수 있는 디바이스를 고안하였다. 이들 연구진은 최근 개발된 기술을 이용하여 낮 동안에 가열된 지구의 열을 직류 전력으로 변환시키는 방법을 개발하였다. 이는 무한한 새로운 에너지원이 될 수 있을 것으로 보인다. 이들 연구진의 열역학 및 기술적 요구 조건의 분석은 이번 주 Proceedings of the National Academy of Sciences 저널에 "Harvesting renewable energy from Earth`s mid-infrared emissions”라는 제목으로 발표될 예정이다.
하버드 대학의 응용 물리학과와 전기공학과의 공동 연구진은 처음에 빈 공간에서 적외선 빛을 차가운 쪽으로 방출함으로써 DC 전력을 생산할 수 있는지에 대한 메커니즘을 분명하게 이해하지 못하였다고 말하였다. 빛을 흡수함으로써가 아니라 방출함으로써 전력을 생산한다는 것은 상식선에서 이해하기 힘든 내용이다. 연구진은 비록 이것이 직관에 매우 반대적이지만 나노 스케일의 물리학을 이용하면 가능한 것으로서 완전히 새로운 응용이라고 말하였다.
이 연구를 주도하고 있는 하버드 응용 물리학과의 Federico Capasso는 반도체 물리, 포토닉스, 그리고 고체 상태 전자 기술 분야에서 전세계적으로 유명한 전문가이다. 그는 1994년 적외선 양자 폭포 레이저를 공동으로 개발하기도 하였다. 그는 또한 밴드갭 공학의 선구자이며 척력 카시미르 힘이라고 불리는 양자 전기동역학적 현상을 시연하기도 하였다.
Capasso는 지금까지 중적외선 스펙트럼 영역은 크게 주목받지 못하였다고 말하였다. 분광기 분야에서도 양자 폭포 레이저가 발명되기 전까지, 중적외선은 다루기 힘든 분야로 인식되었다. 이제 Capasso와 그의 동료 연구진은 광전 태양 패널과 비슷한 것을 제안하였지만 입사되는 가시 광선 대신에, 적외선 빛을 방출함으로써 전력을 생산할 수 있는 디바이스를 제안하였다.
태양 빛은 에너지를 가지고 있다. 따라서 태양 에너지를 포획하여 작동하는 광전지가 널리 사용되는 것이다. 그러나 적외선 빛을 방출함으로써 에너지를 포획하는 디바이스는 덜 직관적이라고 연구진은 말하였다. 이런 방식으로 얼마나 많은 전력을 생산할 수 있는지는 직접 계산해보기 전까지 분명하지 않을 것이라고 연구진은 덧붙였다. 연구진은 그들의 디바이스가 태양 전지와 결합하여 추가적인 설치 비용 없이 야간에도 추가적인 전력을 생산해 낼 수 있을 것이라고 말하였다. 이들 연구진은 두 가지의 다른 에너지 하베스터를 제안하였다. 하나는 태양 열전력 생성기와 유사한 것이며, 다른 하나는 광전지와 유사하며 이들 두 종류는 역으로 작동된다.
첫 번째 종류의 디바이스는 지구와 대기의 온도에서 “뜨거운” 판과 그위의 “차가운” 판으로 이루어진다. 차가운 판은 위로 향하며 매우 방출적인 물질로 만들어져 하늘로 열을 매우 효율적으로 방사하여 냉각된다. 예를 들어, 오클라호마, 라몬트에서 측정한 적외선 방출에 기반하여, 연구진은 두 판 사이의 열 차이가 낮과 밤에 제곱미터당 수 와트의 전력을 발생한다는 것을 계산하였다. 차가운 판을 대기 온도보다 더 차갑게 유지하는 것은 어려울 것이지만, 이 디바이스는 온도 차이가 일을 생산한다는 기본적인 원리를 알려주고 있다. 이 방법은 열 엔진과 방사 냉각의 원리를 결합한 것이기 때문에 상당히 직관적이라고 연구진은 말하였다.
두 번째 제안된 디바이스는 온도차 대신에 나노스케일 다이오드 및 안테나와 같은 전자 부품을 이용하는 것이다. 동일한 온도에서 두 개의 부품을 가지고 있다면, 어떤 일도 작동하지 않을 것이지만 두 개의 다른 온도를 가지고 있다면 온도차에 의한 일이 수행될 수 있다고 Capasso는 말하였다. 그러나 전자 거동 수준에서, 이것은 매우 덜 직관적이다. 핵심은 첨부된 그림에서 보는 바와 같은 회로 다이어그램이라고 연구진은 말하였다. 연구진은 그들의 연구는1968년 Gunn 다이오드를 개발한 J.B. Gunn의 연구 결과를 이용한 것이라고 말하였다.
이 원리를 간단히 설명하면 다음과 같다. 전기 회로에서 부품은 자발적으로 전류를 양쪽 방향으로 밀어낼 수 있다 이것은 전기적 소음이라고 불린다. Gunn의 다이어그램은 다이오드라고 불리는 밸브 같은 전기 부품이 레지스터보다 더 높은 온도에 있게 되면, 그것은 전류를 단일 방향으로 밀어내어 양의 전압을 만들어 낼 것이다. Capasso 그룹은 레지스터의 역할은 지구의 적외선 파를 하늘로 매우 효율적으로 방출시키는 마이크로 안테나에 의해서 구동될 수 있을 것이라고 제안하였다. 이 결과 회로 부분에만 있는 전자들이 냉각될 것이다. 연구진은 그들의 방법이 물체를 냉각시키는 중간 단계를 필요로 하지 않고 방사 프로세스에서 전류를 직접적으로 얻을 수 있는 것이라고 설명하였다.
논문에 따르면, 하늘을 향한 이런 많은 미세 회로로 코팅된 디바이스가 전력을 발생시킬 수 있다고 한다. 광전기술을 이용한 방법은 최근의 플라즈몬, 소형 전자기술, 그라핀과 같은 신소재, 그리고 나노기술 제작과 같은 일련의 기술 진보로 가능할 것이다. 연구진은 지난 50년 동안 적외선 다이오드의 기술적 진보가 크게 없었지만, 최근 나노제조 기술의 발달로 적외선 다이오드를 더 효율적이고 소형으로 만드는 것이 가능하게 되었다고 말하였다. 그러나 가장 좋은 현대 적외선 다이오드에도 문제가 있다. 만약에 적외선 방출로부터 에너지를 수확하려면, 전압은 비교적 낮게 될 것이다. 이것은 잘 작동하는 적외선 다이오드를 만들어 내는 것이 매우 어렵다는 것을 의미하는 것이다.
연구진은 이미 터널 다이오드와 같은 더 낮은 전압을 다룰 수 있는 새로운 종류의 다이오드를 고려하고 있다. 또 다른 방법은 회로 부품의 임피던스를 높이는 것이다. 그렇게 함으로써 더 실질적인 수준으로 전압을 올릴 수 있다. 속도는 또 다른 어려움이다. 단지 특정한 종류의 다이오드만이 적외선 신호에 필요한 초당 30조의 개폐가 가능하다. 연구진은 전압 및 임피던스와 함께 속도 문제도 함께 고려하여 연구할 필요가 있다고 말하였다. 연구진은 그들이 이제 디바이스 제작에 필요한 요구 조건과 제한 사항을 이해하였기 때문에 다음 단계는 솔루션을 제작하는 것이라고 말하였다.
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