'버리는 에너지'로 전력생산 더 늘린 '에너지 하베스팅' 시스템 개발

KIST

KIST 전자재료연구센터 연구진. 송현철 책임연구원, 신준철 박사후연구원, 허성훈 선임연구원(왼쪽부터). KIST 제공 

국내 연구진이 기존 에너지 하베스터보다 전력 생산량을 높인 새 하이브리드 에너지 하베스팅 시스템을 개발했다. 

한국과학기술연구원(KIST)은 송현철 전자재료연구센터 책임연구원·허성훈 선임연구원 공동연구팀이 열전 효과와 압전 효과를 접목해 생산 전력을 늘린 에너지 하베스팅 기술을 개발해 국제 학술지 '에너지 컨버전 앤 매니지먼트'에 10월 30일 온라인 게재했다고 14일 밝혔다.  

'에너지 하베스팅'은 산업 현장, 자동차 등 일상생활에서 사용되고 버려진 열, 진동, 빛, 전자기파 같은 에너지원을 수확해 전기에너지로 변환하는 기술을 말한다. 이를 사물인터넷(IoT) 센서나 배터리 교환이 힘든 환경에서 사용되는 무선 디바이스를 구동하는 데 사용할 수 있다. 

소자 양단에서 발생하는 열에너지를 전기에너지로 바꾸는 '열전 효과'와 기계 진동을 전기에너지로 바꾸는 '압전 효과'를 접목한 하이브리드형 에너지 하베스터 기술이 개발됐지만, 두 효과로 생성된 에너지를 단순 결합하는 방식에 그쳤다. 

연구팀은 낮은 에너지 변환 효율을 가진 열전소자의 단점과 전압을 가할 시 전기저항(임피던스)이 높은 압전 효과의 단점을 상호보완한 새로운 열전-압전 하이브리드 에너지 하베스터를 개발했다. 

먼저 한쪽 끝은 고정되고 다른 쪽 끝은 자유로운 형태인 캔틸레버형 동적 히트싱크(열원의 냉각을 돕는 소자)를 제작했다. 이를 통해 진동 환경에서도 방열 효과를 높였고, 열전효과를 내는 열전 소자의 출력이 25% 이상 향상됨을 확인했다. 

이어 캔틸레버에 폴리머형 압전 소자(MFC)를 부착했다. 캔틸레버의 진동에 따라 압전 조사가 인장-압축 변형을 발생시키며 추가 전력을 생산했다. 그 결과 열전 소자, 압전 소자를 개별적으로 운용해 소자들이 각각 생산한 전력을 더할 때보다 더 많은 전력을 얻었다고 설명했다. 

개발한 하이브리드 에너지 하베스터를 상용 IoT 센서(GPS 위치추적센서)를 적용한 결과 안정적으로 구동됨을 확인했다.

연구를 이끈 허성훈 선임연구원은 "하이브리드 에너지 하베스팅 시스템이 우리 실생활에 안정적으로 적용될 수 있음을 확인한 연구 결과"라며 "현재 전력을 공급하기 어려운 공장 설비 또는 건설기계 엔진 등에 적용해 무선으로 상태 진단이 가능한 시스템을 구축하는 연구를 구상 중"이라고 밝혔다.

[박건희 기자 wissen@donga.com]