배터리 없이도 GPS 위치추적 센서가 작동했다

KIST 연구진, 열전·압전 하이브리드 에너지 하베스터 개발

KIST연구진이열전-압전 하이브리드 에너지 하베스터를 개발했다.[사진=KIST]

[아이뉴스24 최상국 기자]

열과 진동을 동시에 활용한 하이브리드형 에너지 하베스터 기술이 선보였다.

한국과학기술연구원(KIST) 전자재료연구센터 허성훈 박사 연구팀은 열전 효과와 압전 효과를 접목함으로써 생산 전력을 50% 이상 높인 하이브리드 에너지 하베스팅 시스템을 개발했다고 밝혔다.

산업 현장, 자동차 등 일상 환경에서 버려지는 열, 진동, 빛, 전자기파와 같은 에너지를 수확해 전기로 변환하는 기술을 ‘에너지 하베스팅’이라 한다. 이를 이용하면 사물인터넷(IoT) 센서나 배터리 교환이 힘든 곳에 위치한 무선 기기를 구동하는 데 활용할 수 있다.

열에너지를 전기적 에너지로 변환하는 ‘열전 효과’는 낮은 에너지 변환 효율을, 기계적 진동을 전기적 에너지로 변환시키는 ‘압전 효과’는 높은 전기저항이 단점이다. 이를 극복하기 위해 하이브리드형 에너지 하베스터 연구가 이뤄지고 있으나 각 메커니즘에서 생성된 에너지를 단순 결합하는 방식이 주를 이뤘다.

KIST 연구팀은 열전소자와 압전소자의 단점을 상호보완해 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, 한쪽 끝은 고정되고 다른 쪽 끝은 자유로운 캔틸레버(cantileve) 형태의 동적 히트싱크(열방출소자)를 제작해 진동 환경에서 방열 효과를 향상시킴으로써 25% 이상 향상된 열전 소자 출력을 얻었다.

또한 이 캔틸레버에 폴리머형 압전 소자(MFC)를 부착해 캔틸레버의 떨림에 따라 압전 소자의 인장-압축 변형을 발생시키는 방식으로 추가 전력을 생산하는 하이브리드 에너지 하베스팅 구조를 제안했다.

연구팀은 이 기술을 상용 GPS 위치추적 센서(3 V, 20 mW)에 적용해 안정적으로 구동하는 데 성공함으로써 향후 IoT 센서가 배터리 전력 공급 없이도 상시 가동될 가능성을 보여주었다.

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.

하이브리드 에너지하베스터를 개발한 KIST 전자재료연구센터 연구진.(왼쪽 위부터 시계 방향으로) 송현철 박사, 허성훈 박사, 신준철 박사후연구원(1저자) [사진=KIST]

이 연구는 에너지 분야 국제 학술지인 ‘Energy Conversion and Management’ 최신 호에 게재됐다.(논문명 : A synergetic effect of piezoelectric energy harvester to enhance thermoelectric Power: An effective hybrid energy harvesting method. /doi.org/10.1016/j.enconman.2023.117774)

/최상국 기자(skchoi@inews24.com)