에너지 하베스터의 구조 (위) 자가 튜닝 에너지 하베스터의 특성을 보여주는 그래프 (아래) (한국과학기술연구원 제공) 2020.09.01 /뉴스1

국내 연구진이 스스로 변화하며 주변의 다양한 진동수의 진동 에너지를 흡수하며 발전하는 '에너지 수확' 기술을 개발했다.

한국과학기술연구원(KIST)은 전자재료연구단의 송현철 박사 연구팀이 스스로 고유진동수를 조절해 에너지를 생산하는 '자동 공진 튜닝 에너지 하베스터'를 개발했다고 1일 밝혔다.에너지 수확 기술이라고도 불리는 에너지 하베스팅 기술은 기존에는 버려졌던 에너지를 다시 이용하기 위한 목적으로 개발되고 있다. 이러한 에너지 하베스팅 기술은 배터리나 전원선 연결 없이 주변 에너지로 자가 발전하는 소자로 이용가능해 사물인터넷 시스템에서 전력소모가 적은 전자기기의 전원으로 활용되기도 한다.

열, 압력 외에 자동차·기차·산업현장에서 발생하는 진동 또한 에너지 하베스팅 기술로 전기에너지를 생산할 수 있다. 효율을 높이기 위해서는 작은 진동으로부터 최대한의 전기에너지를 생산해 저장해야한다. 이를 위해 '공진'(Resonance) 현상을 활용할 수 있다.

공진은 각 물체마다 재질과 모양 등에 달라지는 고유진동수가 있는데 물체가 고유진동수와 동일한 진동을 만나면 크게 흔들리는 현상이다. 이 공진현상을 제대로 고려하지 않으면 다리 등 구조물이 가벼운 바람에도 크게 흔들리거나 심할 경우 훼손 될 수도 있다.공진현상을 피해야 하는 구조물과 달리 진동을 전기로 바꾸는 진동 에너지 하베스터는 적극적으로 공진을 활용해야한다. 주변환경에서 발생하는 다양한 진동수는 각기 다른 진동수를 가지고 있는데, 반면 일반 에너지 하베스터는 하나의 고유 진동부만 가진 경우가 많다. 그래서 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 소형 조정회로를 이용하는 자동 튜닝 에너지 하베스터가 개발되기도 헀지만, 모터나 조정기를 구동하기 위한 전기에너지 소모로 발전 효율이 떨어지는 문제가 있었다.

KIST 연구진은 별도의 전기장치 없이도 주변 진동수에 스스로 튜닝될 수 있는 특수 구조의 에너지 하베스터를 개발했다. 에너지 하베스터 내부에 자율적으로 움직이는 추가 있어, 주변의 진동을 감지하면 스스로 다른 위치로 이동해 하베스터의 고유진동수를 바꿔준다. 추의 위치가 변한 에너지 하베스터는 외부의 진동과 같은 진동수를 갖게 되어 다양한 진동과 공진할 수 있게 되었다. 연구진은 기존의 하나의 고유진동수를 가지는 소자보다 공진할 수 있는 주파수 대역이 1400% 이상 늘어나는 결과를 얻었다고 설명했다.

송현철 박사는 "간단한 구조를 가지며 추가적인 에너지 소모 없이 자가 튜닝(Self-tuning)을 최초로 구현했다는데 큰 의의가 있다며, 에너지 하베스터를 우리 실생활에 적용하는 시기를 크게 앞당겨 줄 것으로 예상된다"며 "사물인터넷을 비롯해, 무선 센서 네트워크나 웨어러블 전자기기의 자율독립전원으로써 자가 튜닝 에너지 하베스터가 핵심적 역할을 수행할 수 있을 것으로 보인다"고 밝혔다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 지원으로 KIST 주요사업과 에너지기술평가원 에너지기술개발사업 및 국가과학기술연구회 창의형융합연구사업으로 수행됐다. 연구 결과는 에너지 분야 국제 학술지인 나노 에너지(Nano Energy)의 최신 호에 게재됐다.


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