버려지는 에너지 모아주는 효율 22배로 높이는 물질 개발
버려지는 에너지 모아주는 효율 22배로 높이는 물질 개발
  • 문병도 기자
  • 승인 2019.03.14 12:00
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김미소 한국표준과학연구원(KRISS) 박사, 윤병동 서울대 교수 공동 연구팀

[뉴스웍스=문병도 기자] 에너지는 언제 어디서든 버려진다. 전력은 생산될 때부터 절반 이상이 손실되고, 아무리 효율등급이 높다한 들 열이나 빛, 진동 등의 형태로 에너지가 버려진다.

버려지는 에너지를 다시 ‘수확’하여 전기로 사용하는 ‘에너지 하베스팅’은 최근 사물인터넷과 웨어러블 등의 전력 공급원으로 부상하고 있다.

국내 연구진이 메타물질을 에너지 하베스팅에 적용하여 기존에 비해 월등히 높은 전력을 생산하는 데 성공했다.

김미소 한국표준과학연구원(KRISS) 박사 연구팀과 윤병동 서울대 교수 연구팀은 자연계에 없는 특성을 구현할 수 있는 신개념 메타물질을 이용하여 ‘메타 에너지 하베스팅’ 시스템을 개발했다.

이 시스템은 메타물질이 에너지를 한 곳에 집속해주는 돋보기 역할을 하여, 기존보다 22배 이상 증폭된 전기를 생산할 수 있다.

소리, 진동, 초음파와 같이 어디서든 흔히 발생하는 기계적 에너지는 에너지 하베스팅의 좋은 공급원이다. 차량이 다리를 지나갈 때 발생하는 소음이나 노면의 진동까지도 전력원이 될 수 있는 것이다.

기계적 에너지 하베스팅은 생산 전력량이 부족한 탓에 응용분야가 제한적이고 경제성 면에서 합격점을 받지 못했다. 압전소자 등의 변환 장치를 에너지가 발생하는 수많은 위치에 전부 설치해야 하여 비용이나 실효성 측면에서도 문제가 있었다.

연구팀은 고전적인 방식에서 탈피하여 버려지는 에너지를 처음부터 많이 모은 다음 수확하는 방법에 주안점을 두었다.

에너지를 최적으로 집속할 수 있는 메타물질인 음향양자결정 구조를 개발하여 하베스팅에 접목시키는 데 성공했다.

이 메타물질은 여러 곳에서 입력으로 들어온 에너지를 한 곳으로 최대한 모아, 더 이상 나가지 못하게 묶어둘 수 있다. 메타물질로 입력에너지를 집속하여 압전소자 기반의 에너지 하베스팅을 실행한 결과, 기존보다 22배가 넘는 고효율의 전기 생산에 성공했다.

메타 에너지 하베스팅은 스마트시티의 기반시설을 신경망처럼 연결해주는 사물인터넷(IoT) 센서의 전기 공급에 적격이다.

IoT 센서는 주기적으로 배터리를 교체하거나 태양광 등 기상조건에 의존했지만, 이제는 기계적 에너지를 통해 전기를 안정적으로 공급받아 영구적인 사용이 가능해질 것으로 보인다.

윤병동 교수는 “고층 빌딩, 교량과 같이 접근이 어려운 구조물을 진단하는 IoT 센서가 전력 부족으로 작동하지 않으면 위험을 초래할 수 있다”라며 “이번 기술은 진동과 같이 구조물 자체에서 발생하는 에너지를 메타물질로 대폭 증폭시켜 지속적으로 전기를 공급할 수 있다”라고 했다.

김미소 박사는 “메타물질을 에너지 하베스팅에 접목하여 센서와 같은 소자를 작동시킬 수 있는 밀리와트(mW)급 전력을 얻은 건 최초의 사례”라며 “에너지 하베스팅의 새로운 패러다임을 개척한 성과”라고 했다.

국가과학기술연구회 창의형융합연구사업의 지원을 받은 이번 연구결과는 에너지 분야의 세계적 학술지인 나노 에너지에 게재됐다.

최원재(왼쪽부터), 김미소, 박춘수 KRISS 안전측정센터 연구팀 박사가 기념촬영하고 있다. 사진제공=KRISS
최원재(왼쪽부터), 김미소, 박춘수 KRISS 안전측정센터 연구팀 박사가 기념촬영하고 있다. <사진제공=KRISS>
윤병동 교수 <사진제공=KRISS>

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