"진동을 전기로"…사물인터넷에서 배터리 사라진다

KIST 연구팀, 에너지 하베스팅 기술 개발

[아시아경제 김봉수 기자] 국내 연구진이 진동을 흡수해 전기 에너지로 변환, 무선 센서의 전력으로 활용할 수 있는 에너지 하베스팅(Energy harvesting) 기술을 개발했다.

국제 학술지 어드밴스드 사이언스 표지

한국과학기술연구원(KIST)은 송현철 전자재료연구센터 박사 연구팀이 주변 환경에 따라 에너지 하베스터 스스로 공진을 맞추는 자동 공진 튜닝(Automous Resonance Tuning, ART) 압전 에너지 하베스터를 개발했다고 31일 밝혔다. 개발한 에너지 하베스터는 30Hz 이상의 광대역 주파수 범위에서 스스로 공진을 튜닝하고 흡수한 진동 에너지를 전기 에너지로 변환시킬 수 있다.

사물인터넷(IoT) 기술은 시공간에 구애받지 않고 설치되어야 하기 때문에 배터리나 전원선에 구애받지 않는 독립전원을 필요로 한다. 자동차, 건물, 가전제품 등의 일상 환경에서 진동, 열, 빛, 전자기파와 같이 버려지는 에너지를 수확하여 전기에너지로 변환하는 에너지 하베스팅(Energy harvesting) 기술을 이용하면 외부 전원장치 없이 주변 에너지원 수확만으로도 소형 전자기기를 구동하기에 충분한 전기를 생산할 수 있다.

진동을 에너지 하베스팅 기술을 통해 전기에너지로 변환하는 과정에서 불가피한 기계적 에너지 손실이 발생해 에너지 변환 효율이 낮아지는 문제가 있었다. 이를 해결하기 위해서는 물체의 고유진동수와 진동의 주파수가 일치할 때 큰 진동이 발생하는 공진(Resonance) 현상을 활용한다. 그러나 에너지 하베스터의 고유진동수는 고정되어 있는 반면, 우리가 일상생활에서 경험하는 다양한 진동들은 각기 다른 범위의 주파수에 분포하고 있다 이 때문에 에너지 하베스터의 사용환경에 맞춰 매번 고유진동수를 조정하고, 공진을 유도해야 하기 때문에 실용화에 어려움이 있었다.

연구팀은 별도의 전기장치 없이도 주변 진동수에 스스로 튜닝될 수 있는 특별한 구조의 에너지 하베스터를 개발했다. 에너지 하베스터 내부에 주파수에 따라 움직이는 적응형 클램핑 시스템 (튜닝 시스템)을 부착하여 에너지 하베스터가 주변의 진동을 감지하면 튜닝 시스템이 공진 주파수에 도달하게 되어 외부의 진동과 같은 진동수를 갖고 공진할 수 있게 된다. 그 결과, 2초 이내 빠른 공진 주파수 튜닝으로 광대역 주파수 대역(30Hz) 이상에서 연속적으로 전기를 생산할 수 있다.

자동차 엔진의 진동 에너지를 활용하여 위치 추적 장치 구동에 성공한 자가 튜닝 에너지 하베스터의 실용화 가능성을 보여준다. 그림제공=KIST

이번 연구에서는 기존에 문헌에 보고되었던 압전 진동형 에너지 하베스터들과 달리 튜닝 시스템이 장착된 에너지 하베스터를 실제 주행하는 자동차 엔진에 부착하여, 진동 주파수가 지속적으로 변화하는 환경에서 자동 공진 튜닝(Autonomous Resonance Tuning, ART)으로 배터리 없이도 무선 위치 추적장치를 구동하는데 성공했다. 송현철 KIST 책임연구원은 "이번 연구성과는 진동을 이용한 에너지 하베스터가 이제 곧 우리 실생활에 적용될 수 있음을 시사하는 결과"라며 "사물인터넷을 비롯햐 무선 센서의 독립전원으로 사용될 수 있을 것으로 보인다“고 말했다.

이번 연구 결과는 에너지 분야 국제 학술지인 'Advanced Science'(IF : 17.521, JCR 5.942%) 최신 호에 앞 표지로 게재됐다.

김봉수 기자 bskim@asiae.co.kr