양자 에너지 수확기가 차세대를 구동한다

도쿄과학연구소 연구진이 전자기기용 에너지 수확기의 성능을 높이는 방법을 개발했습니다. 이들의 새로운 접근법은 양자역학을 활용해 기존 에너지 수확 시스템의 열역학적 한계를 뛰어넘습니다. 따라서 버려지는 에너지를 미래 첨단기기의 실용적인 전원으로 바꿀 잠재력이 있습니다. 주요 내용을 살펴보겠습니다.

에너지 수확

에너지 수확은 주변 환경이나 기술 장치가 버리는 에너지를 다른 기기의 전력으로 전환하는 확립된 개념입니다. 과거에는 해수면과 심해의 온도 차를 이용해 전력을 생산하는 방식 등이 연구되었습니다. 대표적인 사례로 전선 없이 전구에 전력을 공급할 수 있었던 니콜라 테슬라의 에너지 타워를 들 수 있습니다.
오늘날 에너지 수확은 다양한 영역에서 에너지 낭비를 회수하는 방법을 탐구하는 성장 중인 과학 분야입니다. 예로는 열 구배, RF 신호, 컴퓨팅 하드웨어, 심지어 전체 발전소까지 포함됩니다. 에너지 수확의 주요 장점 중 하나는 효율성을 향상시키고 비용을 낮추는 저렴하고 지속 가능한 방법을 제공한다는 점입니다. 따라서 그 인기가 높아지고 있습니다.

현대 에너지 수확 효율성을 제한하는 과제

에너지 수확 기술은 계속 발전하고 있습니다. 그러나 최적의 성능을 달성하려면 과학자들이 극복해야 할 제약이 여전히 여러 가지입니다. 우선 기존 에너지 수확 기술은 다음을 비롯한 열역학 법칙의 제약을 받습니다.

카르노 효율

오늘날 에너지 수확을 제한하는 주요 요인 중 하나는 카르노 효율입니다. 이 열역학 법칙은 서로 다른 열 저장고 사이에서 가능한 최대 열전달 능력과 효율을 설명합니다. 과학자들은 이 비율을 이용해 폐열에서 정확히 얼마나 많은 에너지를 생산할 수 있는지 예측합니다.

커즌-앨브른 효율

커즌-앨브른 효율 역시 에너지 수확기의 성능을 제한해 온 중요한 법칙입니다. 이는 최대 출력으로 작동할 때 얻을 수 있는 최고 효율을 정의하는 데 사용됩니다. 엔지니어들은 카르노 효율과 이 방정식을 함께 활용해 에너지 수확 장치를 최적화하고 개선합니다.

에너지 수확 효율성을 향상시키기 위한 양자 연구

이러한 한계를 인식한 일본 연구진은 열전달 기술에 새로운 방식으로 접근했습니다. Communications Physics에 게재된 비열적 토모나가-루팅거 액체를 이용한 효율적인 열에너지 변환¹ 연구는 양자역학을 활용해 기존 열역학의 한계를 넘어서는 새로운 전략을 제시합니다.

비열적 토모나가-루팅거 액체

이 연구의 핵심은 비열적 토모나가-루팅거 액체를 이용해 열에너지를 포착하고 이동시키는 것입니다. 양자 열기관에는 몇 가지 큰 장점이 있습니다. 예를 들어 이 기관은 비열적 저장고, 즉 비열적 토모나가-루팅거(TL) 액체를 활용해 고전적 장치보다 더 많은 유용한 일을 추출합니다.

양자 홀 에지 채널 (1차원 전송)

연구진은 양자적 접근법을 이용해 맞춤형 양자 홀 에지 채널 안에 비열적 상태를 자연스럽게 만들 수 있었습니다. 이 방식은 탄소 나노튜브를 이용해 에너지 전달을 1차원으로 제한합니다.

이 접근법은 비열적 상태에서 이중 페르미 분포 함수를 구현합니다. 이 상태는 엔트로피를 보존하는 평형화 과정에서 자연스럽게 유도됩니다. 특히 열평형화를 거치지 않아 열에너지가 낭비되거나 빠져나가는 것을 줄인다는 점에서 이상적인 양자 상태입니다.

이 전략을 사용하면 1차원 전자계가 열 상태를 직접 전달할 수 있습니다. 기존 에너지 수확 기술처럼 에너지를 분산시키지 않고 높은 에너지 상태를 유지합니다. 연구팀은 이를 바탕으로 더 효율적인 차세대 에너지 수확 기술 설계에 활용할 수 있는 컴퓨터 모델을 만들었습니다.

양자 에너지 수확기의 실험 테스트

연구진은 연구 과정에서 실제로 작동하는 에너지 수확 엔진을 제작했습니다. 이 장치는 비열적 토모나가-루팅거(TL) 액체 전략을 통합해 양자점접촉 트랜지스터에서 나온 양자점 에너지를 전달합니다.
이 개념증명 장치는 양자점접촉 트랜지스터에서 발생한 열을 최대 효율로 액체에 직접 포착합니다. 특히 양자점은 분산을 억제하면서 마이크로미터 규모의 거리를 가로질러 TL 액체로 열을 전달했습니다.

에너지 수확기 개선 테스트 결과

과학자들은 새로운 접근법이 기존 에너지 수확 방식보다 우수한 성능을 보였다는 사실을 성공적으로 입증했습니다. 준열평형 TL 액체 대신 비열적 TL 액체를 사용하자 전기 변환 효율과 기전력이 모두 높아졌습니다.

인상적인 점은 양자점 열에너지 수확기가 이전 장치를 제약하던 카르노 효율과 커즌-앨브른 효율의 한계를 모두 넘어섰다는 것입니다. 따라서 이번 성과는 에너지 수확과 양자 기술의 중요한 이정표입니다.
스크롤하려면 스와이프 →

시스템 유형	효율 한계	실제 달성 효율
전통적인 열 수확기	≤ 40% (카르노 한계)	~30%
커즌–앨브른 엔진	≤ 35%	~28%
양자 TL 액체 엔진	고전적 한계를 초과	>45% (실험적)

양자 에너지 수확 기술의 장점

이 연구는 해당 분야에 많은 이점을 제공합니다. 우선 기존 에너지 수확 방식의 대안이 될 수 있는 고성능 장치가 실제로 작동한다는 점을 입증했습니다. 이 솔루션은 폐열을 기록적인 효율로 전기로 변환해 더 강력한 전자기기와 양자 장치 등의 개발 가능성을 엽니다.

실제 적용 사례 및 일정

에너지 수확기 개선 연구는 미래에 더 효율적이고 강력한 에너지 수확 기술을 구현할 길을 열었습니다. 우주여행부터 스마트폰 발열 억제까지, 이 기술은 엔지니어의 기기 설계 방식을 바꿀 것입니다. 잠재적인 활용 사례 몇 가지를 살펴보겠습니다.

보안

보안 분야는 감시 대상 장소와 장치에서 버려지는 에너지를 회수하는 능력으로 큰 혜택을 볼 것입니다. 예를 들어 발전소의 전력망 대신 터빈이 방출하는 열로 24시간 보안 장비를 가동하는 모습을 상상할 수 있습니다.

의료

의료 분야에서도 이 기술의 활용처를 찾을 가능성이 큽니다. 첨단 에너지 수확 기술은 이미 압전식 웨어러블 기기에 쓰이고 있습니다. 앞으로 양자점 에너지 수확기는 심장 모니터와 같은 저전력 기기를 더 오래 작동시키고 배터리 오염 위험도 없애는 데 도움을 줄 수 있습니다.

물류

물류 분야는 이 기술을 사물인터넷(IoT) 기기에 활용할 것입니다. 이 작은 스마트 센서들은 이미 비효율, 사기, 위조를 줄이는 데 기여했지만 전력 제약 때문에 적용 범위가 제한되었습니다. 일부는 태양광을 이용할 수 있으나 대다수는 배터리나 전력망에 직접 연결해야 합니다.

앞으로 IoT 기기는 주변 환경에서 에너지를 얻을 수 있게 됩니다. 이 전략은 기기의 대규모 확산을 가능하게 해 수십억 달러 규모의 거대한 물류 산업을 더 효율적으로 모니터링하도록 돕습니다. 또한 장치 추적과 보안에 드는 비용도 낮출 것입니다.

우주 탐사

우주 탐사는 앞으로 이 기술을 가장 크게 활용할 수 있는 분야 중 하나입니다. 우주 식민지에 안정적으로 전력을 공급할 방법을 찾기 위한 연구가 이미 활발합니다. 이번 성과는 가벼운 대체 전원이 필요한 미래 우주비행사와 탐험가를 위한 에너지 수확 기술의 가능성을 엽니다.

에너지 수확기 개선 일정

전자기기에서 양자 에너지 수확 엔진을 보기까지는 10년 이상 걸릴 전망입니다. 다만 군사·우주·의료 목적으로 개발이 앞당겨질 수 있으며, 이 경우 향후 5~7년 안에 상용 제품이 등장할 수도 있습니다.

에너지 수확기 개선 연구자

에너지 수확기 개선 연구는 도쿄과학연구소 물리학과와 NTT 기초연구소의 공동 작업으로 진행되었습니다. 논문은 후지사와 도시마사 교수를 책임연구자로, 무라키 고지 연구원을 공동 연구자로 명시합니다.

야마자키 히카루, 우에무라 마사시, 다나카 하루히, 하타 도쿠로, 린 차오징, 아키호 다카후미도 추가 연구와 지원에 참여했습니다. 또한 일본학술진흥회와 문부과학성이 프로젝트에 자금을 지원했습니다.

에너지 수확기 개선의 미래

에너지 수확기의 미래는 밝습니다. 이 기술은 전 세계 에너지 효율을 극대화하고 파리협정이 정한 탄소중립 목표를 달성하는 데 필수적인 역할을 할 것입니다. 연구팀은 당분간 설계를 개선하고 생산 파트너를 찾아 사업을 확대할 계획입니다.

첨단 에너지 분야에 투자하기

여러 기업이 에너지 수확기 시장에서 경쟁하고 있습니다. 이들은 독자적인 장치로 오염을 줄이고 버려지는 에너지를 회수하려 합니다. 그중 혁신적인 자세를 유지하면서 신뢰할 만한 제품과 서비스를 제공하는 기업 한 곳을 소개합니다.

Energy Vault

Energy Vault (NRGV )는 지역사회에 대체 에너지원을 제공하기 위해 2017년 설립되었습니다. 창립자인 로버트 앨런 피코니와 윌리엄 그로스는 크레인 시스템으로 중력 위치에너지를 활용해 전력을 생산하는 방식을 구상했습니다.
이 독특한 접근법은 출시 때부터 투자자와 연구자들의 관심을 끌었습니다. 회사는 독창적인 설계와 독립형 에너지 저장 방식에 대한 접근법을 인정받아 2019년 Fast Company의 World Changing Idea Award를 수상했습니다. 이어 2020년 스위스 카스티오네-아르베도에 실제로 작동하는 크레인식 전력 저장 시스템을 건설했습니다.

작동 모델은 회사가 새로운 옵션으로 전환하게 만든 몇 가지 제한점을 보여주었으며, 여기에는 G-Vault라는 엘리베이터 버전이 포함됩니다. 크레인 버전과 마찬가지로, 블록을 들어올리고 내리면서 에너지를 저장합니다.
현재 Energy Vault는 다양한 에너지 저장·생산 분야에서 혁신적인 개념을 개발하고 있습니다. 최근에는 하이브리드 저장 방식, 수소 배터리, 기타 차세대 기술로 사업을 확대했습니다. 미래 에너지 시장에 투자하려는 사람이라면 Energy Vault를 더 자세히 조사할 가치가 있습니다.

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에너지 수확기 개선 | 결론

이 연구진의 성과는 더 깨끗하고 효율적인 미래로 가는 길을 열었습니다. 양자역학을 이용해 특정 열역학 법칙의 한계를 극복한 것은 이 기술이 앞으로 새로운 기회를 창출할 수 있음을 보여줍니다. 연구팀의 노력과 새로운 시각에서 나온 발견은 충분히 높이 평가받을 만합니다.

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참고문헌

^{1. Yamazaki, H., Uemura, M., Tanaka, H., Hata, T., Lin, C., Akiho, T., Muraki, K., & Fujisawa, T. (2025). Efficient heat-energy conversion from a non-thermal Tomonaga-Luttinger liquid. Communications Physics, 8(1), 1-10. https://doi.org/10.1038/s42005-025-02297-6}