열·진동 동시에 활용해 효율 50% 높인 에너지 하베스터 나왔다

KIST 전자재료연구센터 연구 성과

한국과학기술연구원(KIST)은 전자재료연구센터의 송현철·허성훈 박사 공동연구팀이 열전 효과와 압전 효과를 접목해 생산 전력을 50% 이상 높인 하이브리드 에너지 하베스팅 시스템을 개발했다고 14일 밝혔다 /KIST제공

열과 진동을 이용해 효율적으로 전기적 에너지로 변환하는 시스템이 국내 연구진에 의해 개발됐다.

한국과학기술연구원(KIST)은 전자재료연구센터의 송현철 책임연구원, 허성훈 선임연구원 공동연구팀이 열전 효과와 압전 효과를 접목해 생산 전력을 50% 이상 높인 하이브리드 에너지 하베스팅 시스템을 개발했다고 14일 밝혔다.

산업 현장이나 자동차 등 일상 환경에서 버려지는 열·진동·빛·전자기파와 같은 에너지원을 수확해 전기적 에너지로 변환하는 기술을 ‘에너지 하베스팅’이라 한다. 에너지 하베스팅 기술을 이용하면 현재 널리 사용되는 IoT(사물인터넷) 센서나 배터리 교환이 힘든 환경의 무선 디바이스를 쉽게 구동시킬 수 있다.

열전 효과란 소자 양단에서 발생하는 열에너지를 전기적 에너지로 변환하는 것이고, 압전 효과는 기계적 진동을 전기적 에너지로 변환시킨다는 의미다. 통상 열전 효과는 에너지 변환 효율이 낮고, 압전 효과는 회로에서 전압이 가해졌을 때 전류의 흐름을 방해하는 임피던스(impedance)가 높아 에너지 이용에 한계가 있었다. 이에 기존에도 각각의 한계를 극복하기 하이브리드형 에너지 하베스터 방식이 제시됐으나, 각 메커니즘에서 생성된 에너지를 단순 결합하는 방식에 그쳤다.

이번 KIST 연구팀의 성과는 열전소자와 압전소자의 단점을 상호보완해 열원과 진동이 있는 환경에서 시너지 효과를 낼 수 있는 열전-압전 하이브리드 에너지 하베스터를 개발했다는 데 있다.

해법은 열원에 부착돼 방열(放熱) 효과를 높여 열원의 냉각을 돕는 소자인 히트싱크(heatsink)에 있었다. 연구팀은 먼저 부피가 크고 공기가 닿는 단면적이 넓은 정적인 형태인 히트싱크 대신, 한쪽 끝은 고정되고 다른 쪽 끝은 자유로운 형태의 캔틸레버형의 동적 히트싱크를 제작해 진동 환경에서 방열 효과를 향상해 25% 이상 향상된 열전 소자 출력을 얻었다.

또 이 캔틸레버에 폴리머형 압전 소자(MFC·섬유 형태의 압전 세라믹으로 구성된 폴리머형 압전 소자)를 부착해, 캔틸레버의 떨림에 따라 압전 소자의 인장-압축 변형을 발생시키는 방식으로 추가 전력을 생산하는 하이브리드 에너지 하베스팅 구조를 제안했다. 폴리머는 나일론이나 염화 비닐처럼 분자가 기본 단위의 반복으로 이뤄진 화합물을 뜻하며, 인장(引張)은 어떤 힘이 물체의 중심축에 평행하게 바깥 방향으로 작용할 때 물체가 늘어나는 현상을 의미한다.

연구팀은 이와 같은 하이브리드 에너지 하베스터를 적용해 GPS 위치추적 센서 같은 상용 IoT 센서를 안정적으로 구동하는 데 성공함으로써 향후 IoT 센서가 배터리 전력 공급 없이도 상시 가동될 가능성을 구현했다.

이번 연구를 주도한 KIST의 허성훈 선임연구원은 “하이브리드 에너지 하베스팅 시스템이 우리 실생활에 안정적으로 적용될 수 있음을 확인한 연구 결과”라며 “자동차 엔진처럼 열과 진동이 함께 존재하는 곳에서 효과성을 확인했으며, 현재 전력을 공급하기 어려운 공장 설비 또는 건설기계 엔진 등에 적용해 무선으로 상태진단이 가능한 시스템을 구축하는 연구를 구상 중”이라고 밝혔다.

에너지 분야 최상위급 국제 학술지인 ‘Energy Conversion and Management’의 최신 호에 지난달 30일 게재됐다.

참고 자료

Energy Conversion and Management(2023) DOI: https://doi.org/10.1016/j.enconman.2023.117774

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