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자동차, 기계 등 다양한 기기의 '떨림', 전기로 바꾼다

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자동차, 기계 등 다양한 기기의 '떨림', 전기로 바꾼다

2020.09.01 12:17
KIST, 다양한 주파수 진동 에너지 흡수하는 수확기술 개발
KIST 송현철 박사(가운데)가 개발한 에너지 하베스터로 공진 현상을 유도하여 발생한 에너지를 측정하는 실험을 하고 있다. KIST 제공
KIST 송현철 박사(가운데)가 개발한 에너지 하베스터로 공진 현상을 유도하여 발생한 에너지를 측정하는 실험을 하고 있다. KIST 제공

자동차의 흔들림이나 공장 기계의 진동 같이 생활이나 산업 현장에서 버려지는 다양한 진동을 단 한 대의 기기로 흡수해 전기를 만들 수 있는 기술이 개발됐다. 작은 발상의 전환으로 추가 에너지 소모 없이 에너지를 수확할 수 있는 진동 주파수의 범위를 14배 넓혀 효율을 크게 개선했다. 사물인터넷(IoT)이나 센서에 적용될 수 있을 것으로 기대된다.


한국과학기술연구원(KIST)은 송현철 전자재료연구단 선임연구원과 신윤환 연구원팀이 주변 환경의 진동수에 따라 자신의 진동수(고유진동수)를 ‘맞춤형’으로 조절함으로써 주변의 다양한 파장의 진동 에너지를 수확할 수 있는 효율적인 에너지 수확기기(하베서터)를 개발했다고 1일 밝혔다.


에너지 하베스터는 진동이나 열 등 주변에서 새어나오는 에너지를 흡수해 재활용하는 자가발전 에너지 기기다. 배터리나 전원 없이 주변 에너지만으로 기기를 작동시킬 수 있어 IoT처럼 작고 독립적으로 운영되는 전자기기에 적용할 수 있다.


최근에는 자동차나 열차, 산업현장의 기계 등이 발생해 버려지는 진동을 흡수해 전기로 활용하는 기술이 널리 연구되고 있다. 이 경우 작은 진동으로 큰 전기에너지를 생산하기 위해 진동을 증폭하는 기술이 관건이다. 


연구자들은 기계나 자동차 등이 얼마나 빠르게 진동하는지 그 정도(진동수 또는 주파수)를 측정한 뒤, 이 진동을 흡수하는 기기의 자체적인 진동수(고유진동수)와 기계의 진동수를 맞추면 진동이 증폭되면서 큰 전기에너지를 생산할 수 있다는 사실을 발견했다. 외부의 진동수와 물체의 고유진동수가 일치되는 이 현상을 ‘공진’이라고 한다. 음악 소리에 유리잔이 진동하다 갑자기 깨지거나, 산들바람을 맞은 큰 다리가 점차 세게 흔들리다 결국 무너지는 현상이 바로 작은 진동 에너지가 공진으로 증폭돼 벌어지는 현상이다.


하지만 기존의 에너지 하베스터는 하나의 고유진동수를 지니고 있어 각기 다른 진동수를 지니는 기계나 환경에 두루 적용할 수 없었다. 모터를 이용해 고유진동수를 스스로 바꾸는 하베스터가 개발돼 있지만, 모터를 사용하는 과정에 전기가 소모돼 효율이 낮았다.


 

논문에 실린 그림 중 일부다. 왼쪽 위는 추의 위치가 바뀌면서 하베스터의 진동수가 변하는 원리를 표현했다. 왼쪽 아래는 그에 따른 고유진동수 변화를 표시했다. 그래프에서 뾰족하게 표시된 부분이 가장 에너지 수확 효율이 높지만, 매우 좁은 주파수 영역에만 존재해 그 주파수와 공진할 때에만 수확 효율이 높다. KIST 연구팀은 이런 고유주파수를 스스로 편형하는 하베스터를 개발해 고효율 수확 주파수 영역이 약 60~100Hz에 걸쳐 있는 효율적인 하베스터를 개발했다. 기존보다 검출 주파수 대역이 14배 넓다. 나노에너지 논문 캡쳐
논문에 실린 그림 중 일부다. 왼쪽 위는 추의 위치가 바뀌면서 하베스터의 진동수가 변하는 원리를 표현했다. 왼쪽 아래는 그에 따른 고유진동수 변화를 표시했다. 그래프에서 뾰족하게 표시된 부분이 가장 에너지 수확 효율이 높지만, 매우 좁은 주파수 영역에만 존재해 그 주파수와 공진할 때에만 수확 효율이 높다. KIST 연구팀은 이런 고유주파수를 스스로 편형하는 하베스터를 개발해 고효율 수확 주파수 영역이 약 60~100Hz에 걸쳐 있는 효율적인 하베스터를 개발했다(아래 오른쪽 사진. 파란선이 이번에 개발한 하베스터). 기존보다 검출 주파수 대역이 14배 넓다. 나노에너지 논문 캡쳐

송 선임연구원팀은 에너지 하베스터 내부에 움직이는 추를 넣는 작은 발상의 전환으로 이 문제를 해결했다. 주변 진동에 따라 추가 스스로 위치를 바꾸며 고유진동수를 조절하는 방식이다. 주변 진동이 바뀌면 추가 다시 움직이며 하베스터가 새로운 외부 진동수와 같은 고유진동수를 갖도록 조절됐다.

 

연구팀은 이 방법으로 1초에 약 60번 진동하는 주파수(60Hz, 헤르츠)에서 100Hz까지 약 36Hz 범위의 진동을 흡수할 수 있는 에너지 하베스터를 개발하는 데 성공했다. 이는 매우 짧은 영역의 진동수의 진동만 흡수할 수 있는 기존 하베스터보다 14배 이상 공진 주파수 영역이 넓은 것이다(위 논문 그림 중 오른쪽 아래 그래프).

 

송 선임연구원은 “구조가 간단하고 추가 에너지 소모 없이 스스로 고유진동수를 조절하는 최초의 기술”이라며 “무선센서나 입는(웨어러블) 전자기기 등 실생활에 에너지 하베스터를 더 빨리 적용할 수 있게 도와줄 것”이라고 말했다.


연구 결과는 에너지 분야 국제학술지 ‘나노에너지’ 11월호에 게재될 예정이다.
 

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