스스로 튜닝되며 다양한 진동수의 진동 에너지를 흡수해 발전하는 에너지 하베스터가 개발됐습니다. 한국과학기술연구원(KIST) 전자재료연구단 송현철 박사 연구팀은 설치 환경에 따라 에너지 하베스터가 스스로 고유진동수를 조절해 공진을 맞추는 자동 공진 튜닝(Automatic resonance tuning) 에너지 하베스터를 개발했습니다. 해당 연구는 <Nano Energy>에 게재됐습니다.
버려지는 에너지를 수확하다
최근 진동이나 열과 같이 우리 주변에서 버려지는 에너지들을 수확해 이용하는 에너지 하베스팅(Energy harvesting) 기술이 주목받고 있습니다. 이러한 에너지 하베스팅 기술은 배터리나 전원선 연결 없이 주변 에너지로 자가 발전하는 소자를 가능하게 해줍니다. 특히, 사물인터넷과 같이 무선으로 동작하는 작은 전자기기에서 배터리 대신 독립전원으로 유용하게 활용될 수 있습니다.
자동차나 기차, 산업 현장에서 발생하는 진동 또한 에너지 하베스팅 기술로 전기에너지를 생산할 수 있는데, 이러한 에너지 하베스터는 작은 진동으로부터 최대한의 전기에너지를 생산해 저장하는 것이 큰 숙제였습니다. 이를 위해서는 고음의 음악소리에 유리잔이 깨지거나, 산들바람에도 큰 다리를 무너지게도 하는 공진(Resonance) 현상을 활용해야 합니다.
- 공진(Resonance)
물체가 가지고 있는 고유진동수(Natural frequency)와 가해준 진동주파수(진동수)를 일치할 때 큰 진동이 발생하는 현상을 말합니다. 이러한 공진 현상 때문에 산들바람에 큰 다리가 무너지거나, 에어로빅 클럽에서의 사람들의 박자에 맞춘 발구름 때문에 건물 전체가 흔들리기도 합니다.
그러나 에너지 하베스터는 하나의 고유한 진동수를 갖고 있는 반면, 우리가 이용하려는 주변 진동들은 각각 다른 넓은 범위의 진동수를 가지고 분포하고 있습니다. 이 때문에 에너지 하베스터를 설치할 때마다 설치 환경에 맞춰 고유진동수를 튜닝(Tuning)시켜 공진을 유도해야 하며, 이는 에너지 하베스터를 활용하는 데 큰 걸림돌이 돼 왔습니다.
이를 해결하기 위해 모터나 마이크로 콘트롤러를 이용하는 자동 튜닝 에너지 하베스터가 개발됐으나 튜닝용 모터와 콘트롤러를 구동하기 위한 전기에너지 소모가 적지 않아 발전 효율이 크게 저하되는 문제가 있었습니다.
스스로 튜닝될 수 있는 특별한 구조
KIST 연구진은 별도의 전기장치 없이도 주변 진동수에 스스로 튜닝될 수 있는 특별한 구조의 에너지 하베스터를 개발했습니다. 에너지 하베스터 내부에 자율적으로 움직이는 추를 부착했고 주변의 진동을 감지하면 추가 스스로 다른 위치로 이동하게 됩니다. 추의 위치가 변한 에너지 하베스터는 외부의 진동과 같은 진동수를 갖게 돼 다양한 진동과 공진할 수 있게 됐습니다. 기존의 하나의 고유진동수를 가지는 소자보다 공진할 수 있는 주파수 대역을 1400% 이상 향상시키는 결과를 얻었습니다.
본 연구를 주도한 KIST 송현철 박사는 "이번 연구에서는 간단한 구조를 가지며 추가적인 에너지 소모 없이 자가 튜닝(Self-tuning)을 최초로 구현했다는데 큰 의의가 있으며, 에너지 하베스터를 우리 실생활에 적용하는 시기를 크게 앞당겨 줄 것으로 예상된다"며 "향후 4차 산업혁명의 핵심기술 중 하나인 사물인터넷을 비롯해 무선 센서 네트워크나 웨어러블 전자기기의 자율독립전원으로써 자가 튜닝 에너지 하베스터가 핵심적 역할을 수행할 수 있을 것으로 보인다"고 밝혔습니다.
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