국내 연구진이 기존 방식보다 22배 더 많은 에너지를 생산하는 새로운 ‘메타 에너지 하베스팅(Meta Energy Harvesting)’ 시스템을 개발했다. 이 시스템은 자연 소실되는 에너지를 다시 거둬들여 쓸 수 있어 스마트시티 사물인터넷 센서(IoT) 전력 공급에 활용될 것으로 기대된다.
김미소 한국표준과학연구원 박사 연구팀과 윤병동 서울대학교 교수 연구팀은 에너지를 한 곳에 모아주는 돋보기 같은 신개념 ‘메타물질(Metamaterial)’을 이용해 버려지는 에너지를 다시 쓸 수 있는 시스템을 개발했다고 14일 밝혔다.
에너지 하베스팅은 일상 생활과 산업 현장에서 사용되지 않고 사라진 에너지를 모아 다시 사용하는 기술이다. 특히 이 기술은 차량이 다리를 지나갈 때 발생하는 소음이나 노면의 진동을 전기로 전환할 수 있다.
그러나 지금까지의 에너지 하베스팅은 버려진 전기로 전환할 수 있는 생산량이 부족해 상용화에 어려움을 겪었다. 관련 연구 역시 에너지를 다시 전환하는 기술에만 집중됐고 전력량 확보 기술은 나아지지 않았다.
김미소·윤병동 연구팀은 이러한 기존 에너지 하베스팅 방식의 전력량 확보 문제를 해결했다. 일정량의 버려진 에너지 집속을 고수해 온 기존 방식에서 벗어나 처음부터 최대한 에너지를 모은 후 전기 에너지로 전환하는 방법을 선택한 것이다.
연구팀은 이 방법을 사용하기 위해 에너지를 최대한 모을 수 있는 메타물질을 개발했다. 이 메타물질은 ‘음향양자결정(Phononic Crystal)’이란 구조로 이뤄졌다. 여러 곳에서 들어온 에너지를 한 곳에 최대한 모아 외부로 나가지 못하도록 붙잡는 것이 특징이다.
실제 연구팀이 이 메타물질에 진동, 소음 등으로 인한 에너지를 모아 압전소자 기반의 에너지 하베스팅을 실행한 결과, 전환된 전기 에너지량은 기존 에너지 하베스팅 시스템보다 22배 많은 것으로 나타났다.
이 메타 에너지 하베스팅 시스템을 활용하면 스마트시티 기반 시설인 사물인터넷 센서에 배터리나 기상에 의존하는 태양광을 사용하지 않아도 노면에서 발생하는 에너지만으로 일정량의 전기를 계속해서 공급할 수 있다.
윤병동 교수는 "고층 빌딩이나 교량과 같이 접근이 어려운 구조물을 진단하는 IoT 센서가 전력 부족으로 작동하지 않으면 위험을 초래한다"며 "이번 기술은 진동과 같이 구조물 자체에서 발생하는 에너지를 메타물질로 증폭시켜 전기를 공급할 수 있다"고 말했다.
김미소 박사는 "메타물질을 에너지 하베스팅에 접목해 센서와 같은 소자를 작동시킬 수 있는 밀리와트(mW)급 전력을 얻은 건 최초의 사례"라며 "에너지 하베스팅의 새로운 패러다임을 개척한 성과"라고 했다.
한편 이번 연구 결과는 에너지 분야 국제 학술지인 ‘나노에너지(Nano Energy)’에 실렸으며 국가과학기술연구회 창의형 융합연구사업의 지원을 받았다.