생활 속 작은 진동으로 ‘전기에너지’ 만든다

송현철(가운데) 박사가 개발한 에너지 하베스터로 공진현상을 유도해 발생한 에너지를 측정하는 실험을 하고 있다.[KIST 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 국내 연구진이 일상생활 속에서 버려지는 진동 에너지를 흡수해 전기를 생산할 수 있는 원천기술을 개발했다.

한국과학기술연구원(KIST)은 전자재료연구단 송현철 박사 연구팀이 설치 환경에 따라 에너지 하베스터가 스스로 고유진동수를 조절, 공진을 맞추는 자동 공진 튜닝 에너지 하베스터를 개발했다고 밝혔다.

최근 진동이나 열과 같이 우리 주변에서 버려지는 에너지들을 수확하여 이용하는 에너지 하베스팅(Energy harvesting)기술이 주목받고 있다. 에너지 하베스팅 기술은 배터리나 전원선 연결 없이 주변 에너지로 자가 발전하는 소자를 가능하게 해준다. 사물인터넷과 같이 무선으로 동작하는 작은 전자기기에서 배터리대신 독립전원으로 유용하게 활용될 수 있다.

자동차나 기차, 산업현장에서 발생하는 진동 또한 에너지 하베스팅 기술로 전기에너지를 생산할 수 있는데, 이러한 에너지 하베스터는 작은 진동으로부터 최대한의 전기에너지를 생산저장하는 것이 큰 숙제였다. 이를 위해서는 고음의 음악소리에 유리잔이 깨지거나, 산들바람에도 큰 다리를 무너지게도 하는 공진현상을 활용해야 한다.

하지만 에너지 하베스터는 하나의 고유한 진동수를 갖고 있는 반면, 우리가 이용하려는 주변 진동들은 각각 다른 넓은 범위의 진동수를 가지고 분포하고 있다. 때문에 에너지 하베스터를 설치할 때마다 설치 환경에 맞춰 고유진동수를 튜닝(Tuning)시켜 공진을 유도해야 하며, 이는 에너지 하베스터를 활용하는 데 큰 걸림돌이 되어 왔다.

이를 해결하기 위해 모터나 마이크로 콘트롤러를 이용하는 자동 튜닝 에너지 하베스터가 개발됐지만 튜닝용 모터와 콘트롤러를 구동하기 위한 전기에너지 소모가 적지 않아 발전 효율이 크게 저하되는 문제가 있었다.

KIST 연구진은 별도의 전기장치 없이도 주변 진동수에 스스로 튜닝될 수 있는 특별한 구조의 에너지 하베스터를 개발했다. 에너지 하베스터 내부에 자율적으로 움직이는 추를 부착, 주변의 진동을 감지하면 추가 스스로 다른 위치로 이동하게 된다. 추의 위치가 변한 에너지 하베스터는 외부의 진동과 같은 진동수를 갖게 되어 다양한 진동과 공진할 수 있게됐다. 기존 하나의 고유진동수를 가지는 소자 보다 공진할 수 있는 주파수 대역을 1400% 이상 향상시키는 결과를 얻었다.

주변환경의 진동에 스스로 공진을 맞춰 전기에너지를 생산하는 에너지 하베스터.[KIST 제공]

송현철 박사는 “이번 연구에서는 간단한 구조를 가지며 추가적인 에너지 소모 없이 자가 튜닝을 최초로 구현했다는데 큰 의의가 있다”면서 “사물인터넷을 비롯해 무선 센서 네트워크나 웨어러블 전자기기의 자율독립전원으로써 자가 튜닝 에너지 하베스터가 핵심적 역할을 수행할 수 있을 것”이라고 말했다.

이번 연구성과는 에너지 분야 국제학술지 ‘나노 에너지’ 최신호에 게재됐다.

nbgkoo@heraldcorp.com

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