버려지는 에너지 모아주는 '돋보기 물질'
버려지는 에너지 모아주는 '돋보기 물질'
  • 함예솔
  • 승인 2019.03.15 06:35
  • 조회수 1165
  • 댓글 0
이 기사를 공유합니다

버려지는 에너지 모아주는 '돋보기 물질' 나왔다! 출처: pixabay
버려지는 에너지 모아주는 '돋보기 물질' 출처: pixabay

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. 

 

자연계에 존재하는 다양한 기계적 에너지원의 분류: 주파수에 따라 건물의 소음, 진동, 초음파 등 수많은 영역의 기계적 에너지원이 있다. 출처: 한국표준과학연구원
자연계에 존재하는 다양한 기계적 에너지원의 분류: 주파수에 따라 건물의 소음, 진동, 초음파 등 수많은 영역의 기계적 에너지원이 있다. 출처: 한국표준과학연구원

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.

 

메타 에너지 하베스팅 시스템의 모식도. 기계적 에너지원에서 발생하는 파장을 메타물질로 모은 다음, 압전소자 기반의 에너지 하베스팅을 통해 전기를 생산한다. 출처: 한국표준과학연구원
메타 에너지 하베스팅 시스템의 모식도. 기계적 에너지원서 발생하는 파장을 메타물질로 모으고, 압전소자 기반의 에너지 하베스팅을 통해 전기를 생산. 출처: 한국표준과학연구원

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. 

 

(a) 메타 에너지 하베스팅 시스템을 구현한 모습. (b) 사진에서 보이는 팔각형 구조가 음향양자결정 메타물질이다. 출처: 한국표준과학연구원
(a) 메타 에너지 하베스팅 시스템을 구현한 모습. (b) 사진에서 보이는 팔각형 구조가 음향양자결정 메타물질이다. 출처: 한국표준과학연구원

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. 

 

서울대학교 윤병동 교수. 출처: 한국표준연구원
서울대학교 윤병동 교수. 출처: 한국표준연구원

 

 

"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-

 

 

 

한국표준과학연구원 김미소 선임연구원. 출처: 한국표준과학연구원
한국표준과학연구원 김미소 선임연구원. 출처: 한국표준과학연구원

 

 

"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-

 

 

 

 


##참고자료##

 

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

 



댓글삭제
삭제한 댓글은 다시 복구할 수 없습니다.
그래도 삭제하시겠습니까?
댓글 0
댓글쓰기
계정을 선택하시면 로그인·계정인증을 통해
댓글을 남기실 수 있습니다.

  • 충청남도 보령시 큰오랏3길 30 2층
  • 법인명 : 이웃집과학자 주식회사
  • 제호 : 이웃집과학자
  • 청소년보호책임자 : 정병진
  • 등록번호 : 보령 바 00002
  • 등록일 : 2016-02-12
  • 발행일 : 2016-02-12
  • 발행인 : 김정환
  • 편집인 : 정병진
  • 이웃집과학자 모든 콘텐츠(영상,기사, 사진)는 저작권법의 보호를 받은바, 무단 전재와 복사, 배포 등을 금합니다.
  • Copyright © 2016-2019 이웃집과학자. All rights reserved. mail to contact@scientist.town
ND소프트