자연속 버려지는 소음·진동 끌어모아 전기 생산한다

표준연, 메타물질 활용 전기 생산하는 '메타 에너지 하베스팅 시스템' 개발

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길애경 기자 - 2019.03.14

 표준연 안전측정센터 연구팀이 메타 에너지 하베스팅을 실험하고 있다. (왼쪽부터 최원재, 김미소, 박춘수 박사).<사진=한국표준과학연구원> 표준연 안전측정센터 연구팀이 메타 에너지 하베스팅을 실험하고 있다. (왼쪽부터 최원재, 김미소, 박춘수 박사).<사진=한국표준과학연구원>

국내 연구진이 메타물질을 에너지 하베스팅에 적용, 버려지는 진동과 소음도 끌어모아 다시 전기로 사용할 수 있는 시스템을 개발하는데 성공했다.

한국표준과학연구원(원장 박상열)은 김미소 박사 연구팀과 윤병동 서울대학교 교수 연구팀이 메타물질을 이용해 '메타 에너지 하베스팅' 시스템을 개발하고 기존보다 22배 이상 증폭된 전기를 생산했다고 14일 밝혔다.

에너지 하베스팅은 일상생활부터 산업현장까지 버려지는 에너지를 모아 전기에너지로 전환해 다시 사용하는 기술이다. 소리, 진동, 초음파와 같이 어디서든 흔히 발생하는 기계적 에너지는 에너지 하베스팅의 공급원이 된다. 예들 들어 차량이 다리를 지나갈때 발생하는 소음이나 노면의 진동까지도 전력원이 된다.

그러나 기계적 에너지 하베스팅은 생산 전력량이 부족해 응용분야가 제한적이고 경제성 면에서 합격점을 받지 못했다. 이런 문제를 해결하기 위해 높은 에너지 변환 효율을 내는 소자나 회로 개발 위주로 연구가 이뤄졌다. 하지만 수확된 에너지를 변환하는 기술에 집중하며 충분한 전력량을 얻기에 한계가 있었다.

연구팀은 고전적인 방식에서 탈피해 버려지는 에너지를 능동적으로 집속할 수 있는 메타물질인 음향양자결정 구조를 개발, 하베스팅에 접목하는데 성공했다.

이번 성과는 여러 곳에서 입력된 에너지를 한곳으로 최대한 모아 더 이상 나가지 못하게 묶어둘 수 있다. 메타물질로 입력에너지를 집속, 압전소자 기반의 에너지 하베스팅을 실행한 결과 기존보다 22배가 넘는 고효율의 전기를 생산하는데 성공했다.

메타 에너지 하베스팅은 스마트시티의 기반시설을 신경망처럼 연결해주는 사물인터넷(IoT) 센서의 전기 공급에 적격이다. 그동안 사물인터넷 센서는 주기적으로 배터리를 교체하거나 태양광 등 기상조건에 의존했지만 이제는 기계적 에너지를 통해 전기를 안정적으로 공급받아 영구적 사용이 가능할 전망이다.

윤병동 교수는 "고층 빌딩, 교량과 같이 접근이 어려운 구조물을 진단하는 사물인터넷 센터사 전력 부족으로 작동하지 않으면 위험을 초래할 수 있다"며 "이번 기술은 진동과 같이 구조물 자체에서 발생하는 에너지를 메타물질로 대폭 증폭시켜 지속적으로 전기를 공급할 수 있다"고 설명했다.

김미소 박사는 "메타물질을 에너지 하베스팅에 접목해 센서와 같은 소자를 작동시킬 수 있는 밀리와트급 전력을 얻은 건 최초의 사례"라며 "에너지 하베스팅의 새로운 패러다임을 개척한 성과"라고 말했다.

한편 이번 연구는 국가과학기술연구회 창의형융합연구사업의 지원을 받았다. 결과는 에너지분야 학술지 나노 에너지(Nano Energy  IF: 13.619)에 게재됐다.

자연계에 존재하는 다양한 기계적 에너지원의 분류: 주파수에 따라 건물의 소음, 진동, 초음파 등 수많은 영역의 기계적 에너지원이 있다.<사진=한국표준과학연구원>자연계에 존재하는 다양한 기계적 에너지원의 분류: 주파수에 따라 건물의 소음, 진동, 초음파 등 수많은 영역의 기계적 에너지원이 있다.<사진=한국표준과학연구원>
메타 에너지 하베스팅 시스템의 모식도: 기계적 에너지원에서 발생하는 파장을 메타물질로 모은 다음, 압전소자 기반의 에너지 하베스팅을 통해 전기를 생산한다.<사진=한국표준과학연구원>메타 에너지 하베스팅 시스템의 모식도: 기계적 에너지원에서 발생하는 파장을 메타물질로 모은 다음, 압전소자 기반의 에너지 하베스팅을 통해 전기를 생산한다.<사진=한국표준과학연구원>



 
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