국내 연구진이 자연에서 발생하는 미세 진동을 전자제품의 전력원으로 쓸 수 있는 기술을 개발했다. 버려지는 에너지를 유용한 전기에너지로 바꾸는 에너지 하베스팅의 단점이었던 전력 생산 효율을 높일 수 있는 기술이다.
이형진 한국표준과학연구원 음향진동초음파측정그룹 선임연구원이 이끄는 연구진은 27일 일상에서 만들어지는 미세 진동을 이용해 전기에너지를 만드는 '에너지 하베스팅'의 전력 효율을 4배 이상 높이는 데 성공했다고 밝혔다.
에너지 하베스팅은 버려지는 에너지를 다시 '수확(harvest)'해 전기를 만드는 기술이다. 1954년 미국 벨 연구소가 태양전지 연구를 하면서 만들어진 개념으로 진동, 음파, 정전기 같은 버려지는 에너지를 모아 실생활에 필요한 전기를 얻는 방식이다. 풍력발전, 조력발전 같은 신재생에너지 발전도 큰 틀에서는 에너지 하베스팅의 일부로 보기도 한다.
버려지는 에너지를 사용한다는 점에서 사물인터넷(IoT), 모바일 같은 소형 전자기기에 활용 가능성이 클 것이라는 기대를 모으나, 낮은 효율 문제는 개선해야 한다. 워낙 적은 에너지를 이용하는 만큼 효율이 낮아 실제 전자제품을 사용하는 데 필요한 전기를 생산하는 데 한계가 있기 때문이다.
표준연 연구진은 미세 진동을 증폭하는 메타물질을 이용해 에너지 하베스팅의 전력 생산 효율을 높였다. 진동 에너지는 시간과 장소에 관계 없이 어디서나 쉽게 얻을 수 있어 에너지 하베스팅의 좋은 재료로 꼽힌다. 일정한 전력 생산량을 유지할 수 있다는 점에서도 큰 장점을 갖는다. 24시간 내내 일정한 전력을 공급해야 하는 IoT 센서와 혈압·혈당을 실시간 측정하는 웨어러블 의료기기의 전력원으로 진동 에너지 하베스팅이 주목 받고 있다.
이번에 개발한 메타물질은 내부로 들어온 미세한 진동을 가둔 뒤 축적해 증폭하는 특성이 있다. 이 과정을 통해 진동은 최대 45배까지 증폭된다. 적은 수의 소자를 이용해 큰 전력을 생산할 수 있을 것으로 기대를 모은다. 실제 성능 시험에서도 진동을 이용한 기존 에너지 하베스팅 기술에 비해 4배 많은 전기 에너지를 만들 수 있는 것으로 나타났다.
성인 손바닥 정도의 작은 크기에 얇은 평면 형태로 만들 수 있다는 점도 장점이다. 진동이 발생하는 곳 어디든 쉽게 붙일 수 있고, 붙이는 곳의 모양에 따라 알맞게 형태를 바꿀 수도 있다. 연구진은 에너지 생산뿐 아니라 고층 건물과 다리의 손상을 점검하는 진단 센서, 환자의 건강 상태를 측정하는 소형 바이오 센서에도 활용할 수 있을 것으로 기대하고 있다.
이 선임연구원은 "이번에 개발한 메타물질은 일반 센서로 측정이 어려운 초미세 진동을 크게 증폭할 수 있다"며 "차세대 고정밀·고감도 센서 개발에도 활용될 수 있을 것"이라고 말했다.
연구 결과는 국제 학술지 '기계 시스템 및 신호 처리'에 지난 달 15일 소개됐다.
참고자료
Mechanical Systems and Signal Processing, DOI: https://doi.org/10.1016/j.ymssp.2023.110996