열과 진동을 전기로 만들어 쓴다

KIST, 열전-압전 소자 결합한 하이브리드 에너지 하베스터 개발
상용 GPS 위치추적 센서에 적용해 작동 성공… 실생활 적용 가능

KIST 신준철 박사후연구원이 하이브리드 에너지 하베스터를 이용하여 출력전압을 테스트하고 있다. KIST 제공

[파이낸셜뉴스] 한국과학기술연구원(KIST) 전자재료연구센터 허성훈 박사팀이 열과 진동을 전기로 만드는 하이브리드 에너지 하베스터를 개발했다. 특히 열전 효과와 압전 효과를 접목해 생산 전력을 50%이상 높여 위성항법시스템(GPS) 센서를 작동시키는데 성공했다. 이 에너지 하베스터는 주변의 폐열 뿐만아니라 진동 에너지를 동시에 전기로 만들어 사물인터넷(IoT) 센서등 실생활 무선 장치의 독립 전원으로 사용할 수 있다.

14일 KIST에 따르면, 기존에도 열이나 압력 등 단일 모드의 에너지 하베스터 한계를 극복하기 위해 하이브리드형 에너지 하베스터가 연구됐지만, 각 메커니즘에서 만들어진 에너지를 단순 결합하는 방식이 주를 이뤘다.

연구진은 열과 압력을 전기로 만드는 부품의 단점을 상호보완해 열원과 진동이 있는 환경에서 시너지 효과를 낼 수 있게 만들기 위해 집중했다.

먼저 부피가 크고 공기가 닿는 단면적이 넓은 정적인 형태인 히트싱크 대신, 한쪽 끝은 고정되고 다른 쪽 끝은 자유로운 형태인 '캔틸레버' 형의 동적 히트싱크를 만들었다. 이렇게 만들어진 히트싱크는 진동 환경에서 방열 효과를 더 끌어올려 25% 이상 향상된 열전 출력을 얻었다.

또 이 캔틸레버에 섬유 형태의 압전 세라믹으로 구성된 폴리머형 압전 부품(MFC)을 부착했다. 이렇게 만들면 압전 부품은 캔틸레버의 떨림에 따라 늘어나고 수축되는 변형이 반복 발생함으로써 추가적인 전기가 만들어진다.

연구진은 이 하이브리드 에너지 하베스터를 GPS 위치추적 센서에 달았다. 그결과, 이 센서는 별도의 배터리 전력 공급 없이도 안정적으로 작동했다.

허성훈 박사는 "이 테스트를 통해 하이브리드 에너지 하베스팅 시스템이 우리 실생활에 안정적으로 적용될 수 있음을 확인했다"며, "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 말했다.

한편, 연구진은 이번에 개발한 하이브리드 에너지 하베스터를 에너지 분야 국제 학술지인 '에너지 변환과 관리(Energy Conversion and Management)'에 발표했다.
#에너지 #KIST #하베스트