에너지 하베스팅이란?

 

• 전력은 생산될 때부터 절반 이상이 손실되고 아무리 효율 등급이 높다한들 열이나 빛, 진동 등의 형태로 에너지가 버려지는 것은 불가피합니다. 이처럼 버려지는 에너지를 다시 수확(harvest)하여 전기로 사용하는 것이 '에너지 하베스팅'입니다. 
• 예를 들어 차량이 다리를 지나갈 때 발생하는 소음이나 노면의 진동까지도 전력원이 될 수 있습니다. 
• 에너지 하베스팅은 최근 사물인터넷과 웨어러블 등의 전력 공급원으로 부상하고 있습니다. 

 

뭘 개발했나?

 

• 한국표준과학연구원 김미소 박사 연구팀과 서울대학교 윤병동 교슈 연구팀은 자연계에 없는 특성을 구현할 수 있는 신개념 메타물질(Metamaterial)을 이용해 '메타 에너지 하베스팅' 시스템을 개발했습니다.
• 메타물질이란 인공 원자로 이뤄진 물질로, 자연계에 존재하지 않는 특성을 구현할 수 있다고 합니다. 
• 연구진이 개발한 이 시스템은 메타물질이 에너지를 한 곳에 집속해주는 돋보기 역할을 하여 기존보다 22배 이상 증폭된 전기를 생산할 수 있습니다.

 

어떻게 관측했나?

 

• 연구팀은 고전적인 방식에서 탈피해 버려지는 에너지를 처음부터 많이 모은 다음 수확하는 방법에 주안점을 뒀습니다.
• 그 결과 에너지를 최적으로 집속할 수 있는 메타물질인 '음향양자결정(Phononic Crystal)' 구조를 개발해 하베스팅에 접목시키는 데 성공했습니다. 음향양자결정이란 단위격자가 주기성을 가지고 배열된 인공구조로써 메타물질의 한 종류입니다. 
• 이번에 개발한 메타물질은 여러 곳에서 입력으로 들어온 에너지를 한곳으로 최대한 모아, 더 이상 나가지 못하게 묶어둘 수 있습니다. 메타물질로 입력에너지를 집속해 압전소자 기반의 에너지 하베스팅을 실행한 결과, 기존보다 22배가 넘는 고효율의 전기 생산에 성공했습니다. 

 

특이한 점은?

 

• 메타에너지 하베스팅은 스마트시티의 기반 시설을 신경망처럼 연결해주는 사물인터넷(IoT) 센서의 전기 공급에 적격입니다. 그동안 IoT 센서는 주기적으로 배터리를 교체하거나 태양광 등 기상조건에 의존했지만 이제는 기계적 에너지를 통해 전기를 안정적으로 공급받아 영구적인 사용이 가능해질 것으로 보입니다. 

 

이 연구가 왜 중요할까?

 

• 지속적인 전기공급이 가능해짐에 따라 스마트 시티의 중심 과제인 '멈추지 않는 센서'가 실현될 것으로 전망됩니다. 

 

 

 

"고층 빌딩, 교량과 같이 접근이 어려운 구조물을 진단하는 IoT 센서가 전력부족으로 작동하지 않으면 위험을 초래할 수 있습니다. 이번 기술은 진동과 같이 구조물 자체에서 발생하는 에너지를 메타물질로 대폭 증폭시켜 지속적으로 전기를 공급할 수 있습니다" 

-서울대학교 윤병동 교수-

 

 

 

 

 

"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 전했습니다. 

-한국표준과학연구원 김미소 선임연구원-

 

 

 

 

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##참고자료##

 

Park, Choon-Su, et al. "Two-dimensional octagonal phononic crystals for highly dense piezoelectric energy harvesting." Nano Energy 57 (2019): 327-337.