“버려지는 열·진동으로 전기 만든다”…IoT 센서 전력공급 성공

- KIST, 하이브리드 에너지 하베스터 개발

신준철 박사후연구원(제1저자)이 하이브리드 에너지 하베스터를 이용하여 출력전압을 테스트하고 있다.[KIST 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 국내 연구진이 산업 현장, 자동차 등 일상 환경에서 버려지는 열, 진동, 빛, 전자기파와 같은 에너지원을 수확, 사물인터넷(IoT) 센서와 같은 무선 디바이스 구동에 성공했다.

한국과학기술연구원(KIST) 전자재료연구센터 송현철 박사, 허성훈 박사 공동연구팀은 열전 효과와 압전 효과를 접목함으로써 생산 전력을 50% 이상 높인 하이브리드 에너지 하베스팅 시스템을 개발했다.

소자 양단에서 발생하는 열에너지를 전기적 에너지로 변환하는 ‘열전 효과’는 낮은 에너지 변환 효율을, 기계적 진동을 전기적 에너지로 변환시키는 ‘압전 효과’는 높은 임피던스를 갖는다는 한계로 인해 에너지를 안정적으로 수확할 수 없었다. 기존에도 단일 모드 에너지 하베스터의 한계를 극복하기 하이브리드형 에너지 하베스터가 제시됐으나, 각 메커니즘에서 생성된 에너지를 단순 결합하는 방식이 주를 이뤘다.

이에 KIST 연구팀은 열전소자와 압전소자의 단점을 상호보완하여 열원과 진동이 있는 환경에서 시너지 효과를 낼 수 있는 열전-압전 하이브리드 에너지 하베스터를 개발했다. 먼저 부피가 크고 공기가 닿는 단면적이 넓은 정적인 형태인 히트싱크 대신, 캔틸레버형의 동적 히트싱크를 제작, 진동 환경에서 방열 효과를 향상시킴으로써 25% 이상 향상된 열전 소자 출력을 얻었다.

KIST연구진이 개발한 열전-압전 하이브리드 에너지 하베스터.[KIST 제공]

또한 이 캔틸레버에 폴리머형 압전 소자를 부착, 캔틸레버의 떨림에 따라 압전 소자의 인장-압축 변형을 발생시키는 방식으로 추가 전력을 생산하는 하이브리드 에너지 하베스팅 구조를 제안했다. 연구팀은 이와 같은 하이브리드 에너지 하베스터를 적용하여 상용 IoT 센서를 구동하는 데 성공함으로써 향후 IoT 센서가 배터리 전력 공급 없이도 상시 가동될 가능성을 제시했다.

허성훈 박사는 “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.

이번 연구결과는 에너지 분야 국제학술지 ‘에너지 컨버젼 & 매니지멘트’ 최신호에 게재됐다.

nbgkoo@heraldcorp.com