"미세 진동 키워 전력으로"…45배 진동 증폭시키는 `메타물질` 등장

표준연, 좁은 영역에 진동 가둬 증폭해 전력생산
에너지 하베스팅 기여..고정밀 고민감도 센서 활용

한국표준과학연구원은 미세진동을 가둬 증폭시켜 전력을 생산할 수 있는 메타물질을 개발했다. 사진은 표준연이 개발한 메타물질. 표준연 제공

미세진동을 증폭시키는 메타물질을 개발한 표준연 연구진 모습으로, 이형진 선임연구원(왼쪽 시계방향부터), 최원재 책임연구원, 정인지 선임연구원, 김미소 교수, 승홍민 선임연구원 표준연 제공

미세진동을 좁은 영역에 가둬 전기로 쓸 수 있는 메타물질이 개발됐다. 버려지는 진동을 전기에너지로 변환하는 에너지 하베스팅에 활용할 수 있을 전망이다.

한국표준과학연구원은 이형진 박사 연구팀이 미세진동을 좁은 영역에서 가두고 증폭하는 메타물질을 개발했다고 27일 밝혔다.

메타물질은 파동을 효율적으로 제어하기 위해 인위적으로 설계한 물질로, 영화 '해리포터'에서 주인공 해리의 투명망토가 대표적인 메타물질에 속한다.

에너지 하베스팅은 열과 빛, 진동의 형태로 버려지는 에너지를 전기에너지로 변환하는 기술이다. 햇빛을 에너지원으로 이용하는 태양광 발전은 기상 조건과 지형에 따라 전력 생산이 불가하거나 생산량이 일정하지 않은 한계가 있다. 이에 반해 언제 어디서나 존재하는 진동을 에너지원으로 활용하면 환경적 제약에서 벗어나 안정적인 전력 생산이 가능하다.

24시간 내내 일정한 전력 공급이 필요한 IoT(사물인터넷) 센서와 혈압·혈당을 실시간 측정하는 웨어러블 의료기기의 미래 전력원으로 에너지 하베스팅이 주목받는 것도 이 때문이다.

하지만 진동에너지 하베스팅은 일상 생활에서 발생하는 진동이 미세해 생산 전력량이 적고, 생산 비용이 높아 실용성이 떨어진다. 이를 위해 진동이 발생하는 곳에 압전소자 등의 변환 장치를 지속적으로 설치해야 한다.

연구팀은 물질 내부에 들어온 미세한 진동을 가두고 축적해 45배 이상 증폭시키는 메타물질을 개발했다. 적은 양의 압전소자를 사용해 큰 전력을 생산할 수 있다. 연구팀은 메타물질을 적용해 기존보다 단위 면적당 4배 이상 큰 전력을 생산하는 데 성공했다.

메타물질은 성인 손바닥 면적 정도로 작고 얇은 평면 구조로 진동이 발생하는 곳에 어디든 쉽게 부착할 수 있다. 부착 대상의 구조에 맞게 변형도 가능해 고층 빌딩과 교량의 손상을 점검하는 진단센서부터 건강상태를 모니터링하는 소형 바이오센서까지 다양하게 적용할 수 있다고 연구팀은 설명했다.

이형진 표준연 선임연구원은 "이번 연구는 진동을 일시적으로 가두는 표면형 메타물질을 이용해 진동을 축적하고 증폭해 전력을 생산할 수 있음을 보여줬다는 의미가 있다"며 "메타물질은 일반 센서로 측정이 어려운 초미세 진동을 크게 증폭함으로써, 차세대 고정밀·고민감도 센서 개발에 활용할 수 있을 것"이라고 말했다.

이 연구결과는 국제 학술지 '기계시스템&신호처리(2월)'에 실렸다.이준기기자 bongchu@dt.co.kr