탄소중립을 위한 친환경 기술 혁신 중 에너지 수확 기술

기능성 재료란 일반적으로 내구성으로 인한 구조적 특성 이외에 다양한 특성을 통해 특정 기능을 수행할 수 있는 재료를 말합니다. 대표적인 기능성 물질은 전자재료, 자기 재료, 초강력 재료, 형태 기억합금, 강자성물질, 초전도물질, 압력 전달 장치 및 폴리머입니다. 현재 미세 기후 감지, 정밀 위치 센서, 잉크젯 등에 피에조 전기 장치를 사용하는 기능성 물질에 대한 연구가 많이 진행되고 있습니다. 중합체는 물고기 로봇의 구동 시스템과 탐사 로봇의 카메라 렌즈에 들어가는 먼지 제거 장치에 사용됩니다. 이 두 물질은 에너지 밀도와 전력 밀도가 우수하지만 에너지 수집 기술과 관련된 연구는 아직 초기 단계라고 할 수 있습니다.

 

에너지 수집 기술은 에너지를 모으고 변환해 주변에서 에너지를 얻어 회로를 움직이는 데 쓸 수 있는 전기에너지. 그래서 그것은 Scavenging Energy라고도 불립니다. 이런 기술이 USN과 WSN에 적용될 경우 배터리 없이도 전자회로를 제어할 수 있는 가능성이 매우 광범위합니다. 특히 USN 분야에 관해서, 2007년 12월 10일의 제25회 경제 정책 조정 회의에서, 정보통신부와 정보통신부는 2008년의 "상세한 RFID/USN 확산 행동 계획"을 확정했습니다. 이 계획에 따르면 연구개발비는 기상/해양 부문, 사회보장, 보안, 조달/출판, 유통의 투명성, 물류, 농축 및 어업 및 의약품에 투자될 계획입니다. 상기 영역에서 사용되는 전력은 약[mW]으로 많은 에너지 수집 기술 연구자들의 관심을 끌고 있습니다.

국내의 연구 동향

압전 소자를 이용하여 에너지를 모으는 기술은 미국, 유럽, 일본에 뒤처져 있습니다. 그러나 최근에는 USN, WSN, RFID와 같은 자가 발생 장치가 필요한 시스템의 상용화가 본격화되면서 에너지를 모을 수 있는 장치의 개발이 가속화되고 있습니다. 국내에서는 기계연구원, 한국산업기술원, 한국전자통신연구원, 삼성종합기술원, 성균관대학교, 동국대학교, 인하대학교, 서강대학교, 서울대학교 등이 압전 소자를 이용한 에너지 수집 기술 연구를 진행하고 있습니다. 압전 소자의 수집을 위한 압전 소자의 재료 개선과 수집된 에너지를 효율적으로 보존하기 위한 에너지 보존 계획에 대한 연구가 주로 진행됩니다.

 

한국기계연구원에서 압전 소자에 바람과 진동 등 자연에너지를 적용해 발생하는 에너지 특성을 실험하는 장치를 소개합니다. 풍력에 의해 회전하는 장치 모델과 동등한 장치 모델인 기어드 엔진을 사용한 빔오프형식의 벤더형 압전 소자 장치에 외부 힘을 가하여 브리지 다이오드를 사용하여 3일간 1801 [MJ]의 에너지를 공급합니다. (비가 내리는 경우) 알루미늄 프레임에 Hard PZT계 바이모프형 압전 소자를 고정하여 190 (낮은) 진동 에너지를 적용합니다.

 

김상우 성균관대 신소재공학부 교수팀과 최재영 삼성 기술연구소 교수, 금호 기술대 연구원 등이 개발한 투명하고 유연한 나노 전기장치다. 이것은 산화아연(ZnO) 나노 로드를 기반으로 한 피에조 전기 장치입니다. 개발이 완료된 후 덴마크의 스크린이나 약한 바람으로 전력을 생산할 수 있는 장치가 세계 최고의 재료 출판사 중 하나인 독일 잡지 'Advanced Materials'에 소개되었습니다. 또 이 장치를 개발한 연구진은 기기 개발에 그치지 않고 표시장치, IT, 차세대 에너지 수집하기 등에 적용할 계획인 것으로 밝혀졌습니다.

 

서강대에서 연구한 사례로 에너지 변환시스템의 구조는 에너지변환부, 에너지 저장고, 직류와 마이크로컨트롤러, 센서와 송신기(MCU)로 구성되어 있습니다. 실험 결과 압력의 일반적인 특성과 손실 조건에 따라 발생하는 에너지의 양이 변경되어 저장된 최대 에너지양이 17.6 [NJ]이 되었습니다. 또한 2000 [/F] 용량을 사용할 때는 13.94 [s]의 충전 시간이 필요하며 센서 데이터가 무선으로 장애물 없이 약 20 [m]의 거리에서 전송될 수 있다고 결론 내렸습니다.

 

국내 압전 에너지 수확 기술은 기본적으로 기초연구를 할 수 있는 기술이 있었지만 관련 정보를 분석하고 기초연구 결과를 활용해 상용화에 근접한 것으로 분석됩니다. 에너지 수집을 위한 압전 소자의 원천기술을 확보하고 용도를 다양화하면 상용화 시기는 더욱 앞당겨질 것으로 예상됩니다.

국외의 연구 동향

독창적인 기술을 제공하는 미국, 유럽, 일본 등의 선진국은 현재, 실제로 피에조 전기 장치를 설치해, 다양한 종류의 에너지를 수집해 에너지를 생산하는 연구를 진행하고 있습니다. 미국은 이미 2006년에 '에너지 생산과 저장' 연구에 10억 달러 이상을 제공했습니다. 버지니아공대, 고급 세라믹 주식회사, 미국과학재단(NSF) 등에서도 활발한 연구가 이뤄지고 있습니다. 영국에서는 주로 사우샘프턴 대학에 있는 9개 기관이 컨소시엄 형태로 VIBES(Vibration Energy Scavenging) 프로젝트를 진행하고 있습니다. 이처럼 대학, 각종 연구기관 및 기업의 많은 연구자들이 피에조 전기재료의 효율성, 효율성 및 품질향상과 같은 다른 에너지 수집시설에 비해 우수한 성과를 거두었습니다.

 

이스라엘 이노와 텍에서 개발한 이 자동차는 도로 위에 에너지 수집기와 전기를 생산하기 위해 설치된 도로를 보여줍니다. 이 장치는 새로운 도로를 건설하거나 도로를 정비할 때 설치할 수 있으며, 설치 비용은 풍력이나 태양열 시스템보다 저렴합니다. 이 장치는 또한 항공기 선로나 활주로에 설치하여 에너지를 생산하는 데 사용할 수 있습니다. 투자 비용 회수 기간은 트래픽에 따라 다르지만 회수 기간은 약 6-12년이 될 수 있습니다. 시간당 600대의 차량을 수용할 수 있는 일방통행 2차선 도로에 설치하면 400MW의 전력을 생산할 수 있다는 것.

 

Zigby Wireless Switch는 2009년에 프랑스의 Schneider Electric에 의해 개발되었습니다. 이 스위치는 외부 전원 없이 작동하기 때문에 실내 어디에나 쉽게 설치할 수 있으며, 사용자가 원하는 위치로 전원을 on으로 이동 또는 끕니다. 또 배터리 교체 등 유지관리는 물론 수십 년간 사용할 수 있습니다.

EAP를 이용한 에너지 수확 기술

EAP는 변위가 전기를 공급할 때 발생한다는 것을 의미하며, 반대로 변위를 줄 때 즉각적인 전압을 생성합니다. 이 바이어스는 에너지 수집 기술에 적용할 수 있다는 원칙 피에조전기 EAP는 오늘날 잘 알려진 PVDF를 가지고 있습니다. 1970년대 미국과 유럽에서는 1924년 폴리머의 피에조 전기 효과 발견을 시작으로 1969년 Kawaii가 PVDF에 대한 강력한 피에조 전기 효과를 발견한 후 많은 연구가 진행되었습니다. 리서치 트라이앵글 파크의 스콧 굿윈-요한슨 교수는 폴리머와 MEMS 기술을 이용한 센서 적용 연구, MIT의 안드레아스 윙거트 교수는 발표했습니다. 도쿄대 미호 야스타케 교수는 폴리머 로봇을, 캘리포니아대 리버사이드대 마르셀라 교수는 폴리머 로봇을 근육으로 특징짓는 근육을 가진 단일 가닥을 개발하는 연구를 진행했습니다.

 

EAP는 크게 두 가지 운전 조건과 운전 원리로 분류할 수 있습니다. 전기 EAP는 전기에 의해 구동되며 공중에서도 쉽게 제어할 수 있는 타입입니다. 이온화 EAP는 폴리머 내부의 이온 이동에 의해 제어되어 반드시 습도가 필요하며 구동력을 향상하면 성능이 저하됩니다. Piezoelectric EAP 또는 IPMC(Ionic Polymer Metallic Composite)는 에너지 수집에 가장 일반적으로 사용되는 재료입니다.

 

EAP에서 바이오 조각으로 기능할 수 있는 것은 공상과학소설 분야의 꿈이 곧 실현될 것이라는 희망을 주고 인류 문명의 발전에 크게 기여할 것입니다. EAP는 차세대 마이크로 로봇, 엔터테인먼트 산업 및 초소형 항공기 운전과 같은 인공 근육 장치를 위한 응용 분야를 만들고 있습니다. EAP 장치의 사용은 널리 퍼져 있었고, 과학자들은 전기 펄스를 사용하여 피부 길이를 늘이거나 줄이는 경량 소재를 개발하려고 노력했습니다. 따라서 이 재료들은 소형 응용 프로그램에서 사용하기에는 너무 무겁거나 너무 큰 모터 또는 공기압 실린더를 대체하는 모터 구동 장치로 사용됩니다. EAP의 새로운 탄생은 인공 근육의 발달 가능성을 보여줍니다. EAP는 전기장과 이온에서 작동하는 것과는 크게 다르며, EAP는 전기장, 전자기 및 전자기 물질을 가지고 있습니다. 이온화 시 외부에서 전기 자극이 가해지면 폴리머 내부에 편두통이 발생하며 폴리머, 젤, IPMC, 탄소나노튜브, 유선 중합체 및 ER 유체를 포함하는 변형이 발생합니다. 그 밖에도 종이나 천 등 다양한 EAP 자료가 현재 연구되고 있습니다.

결론

지금까지 기능성 물질, 피에조 전기 장치 및 EAP를 이용한 에너지 수집 기술을 간략하게 소개하고 국내외 연구 동향과 사례를 검토했습니다. 에너지 변환 효율을 높이고 에너지 변환 효율을 높이기 위해 피에조 전기장치 재료를 개선하기 위해서는 발전 효율을 높여야 한다는 것. 첫째, 전력 소모가 적은 초소형 장치(RFID, USN, WSN, 웨어러블 PC, 인간 삽입 의료기기 등)에 적용하여 더 많은 전력을 생산하는 것이 바람직합니다.

 

전기 활성 폴리머(EAP)는 아직 국내외에서 많은 연구가 진행되고 있지만 실제 상용화에는 아직 부족한 부분이 많습니다. EAP와 유사한 피에조 전기 물질은 PZT로 EAP보다 단단하기 때문에 충격에 잘 반응할 수 있습니다. 그러나 EAP는 과도하기 때문에 심각한 타격을 받지 않습니다. 이러한 단점을 해결하기 위해서는 연구도 필요하다고 생각합니다. 또한 우리는 EAP 해석을 위한 프로그램을 개발할 수 없습니다. 이러한 근본 원인은 주재료로 사용되는 중합체의 고유한 특성에 있습니다. 다른 재료들과 달리 EAP에 주로 사용되는 폴리머는 최종 변형률, 변형 후 점도 및 어느 정도의 플라스틱 변형을 포함하기 때문에 해석 프로그램을 제작하는 데 큰 어려움을 겪고 있습니다. 따라서 EAP에 적용할 수 있는 해석 프로그램이 만들어진다면 EAP의 기술 성장을 더욱 가속화할 수 있을 것입니다. EAP는 성능과 내구성을 향상해야 하는 문제를 안고 있습니다.

 

마지막으로 석유 등 풍부한 자원이 없어 대체에너지 기술에 대한 관심이 높아지고 있으며, 청정에너지 사용에 대한 연구가 많은 시기에 PZT와 EAP를 이용한 에너지 수집 기술이 IT와 에너지의 매력적인 분야로 꼽힙니다.