- 상용 GPS 위치추적 센서 구동에 성공, 실생활 적용 가능성 보여

산업 현장, 자동차 등 일상 환경에서 버려지는 열, 진동, 빛, 전자기파와 같은 에너지원을 수확한 후 전기적 에너지로 변환하는 기술을 ‘에너지 하베스팅’이라 한다. 에너지 하베스팅 기술을 이용하면 현재 널리 사용되는 IoT 센서나 배터리 교환이 힘든 환경에 위치하는 무선 디바이스를 쉽게 구동 시킬 수 있다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 전자재료연구센터 송현철 박사, 허성훈 박사 공동연구팀은 열전 효과와 압전 효과를 접목함으로써 생산 전력을 50% 이상 높인 하이브리드 에너지 하베스팅 시스템을 개발했다고 밝혔다.

소자 양단에서 발생하는 열에너지를 전기적 에너지로 변환하는 ‘열전 효과’는 낮은 에너지 변환 효율을, 기계적 진동을 전기적 에너지로 변환시키는 ‘압전 효과’는 높은 임피던스를 갖는다는 한계로 인해 에너지를 안정적으로 수확할 수 없었다. 기존에도 단일 모드 에너지 하베스터의 한계를 극복하기 하이브리드형 에너지 하베스터가 제시됐으나, 각 메커니즘에서 생성된 에너지를 단순 결합하는 방식이 주를 이뤘다.

이에 KIST 연구팀은 열전소자와 압전소자의 단점을 상호보완하여 열원과 진동이 있는 환경에서 시너지 효과를 낼 수 있는 열전-압전 하이브리드 에너지 하베스터를 개발했다. 먼저 부피가 크고 공기가 닿는 단면적이 넓은 정적인 형태인 히트싱크 대신, 캔틸레버형의 동적 히트싱크를 제작하여 진동 환경에서 방열 효과를 향상시킴으로써 25% 이상 향상된 열전 소자 출력을 얻었다. 또한 이 캔틸레버에 폴리머형 압전 소자(MFC)를 부착하여, 캔틸레버의 떨림에 따라 압전 소자의 인장-압축 변형을 발생시키는 방식으로 추가 전력을 생산하는 하이브리드 에너지 하베스팅 구조를 제안했다. 연구팀은 이와 같은 하이브리드 에너지 하베스터를 적용하여 상용 IoT 센서 (GPS 위치추적 센서, 3 V, 20 mW)를 안정적으로 구동하는 데 성공함으로써 향후 IoT 센서가 배터리 전력 공급 없이도 상시 가동될 가능성을 보여주었다.

본 연구를 주도한 KIST 허성훈 박사는 “하이브리드 에너지 하베스팅 시스템이 우리 실생활에 안정적으로 적용될 수 있음을 확인한 연구 결과”라며, “자동차 엔진처럼 열과 진동이 함께 존재하는 곳에서 효과성을 확인했으며, 현재 전력을 공급하기 어려운 공장 설비 또는 건설기계 엔진 등에 적용해 무선으로 상태진단이 가능한 시스템을 구축하는 연구를 구상 중”이라고 밝혔다.

[그림 1] KIST 연구진이 개발한 캔틸레버 형 동적 히트 싱크를 활용한 열전-압전 하이브리드 하베스터

[그림 2] 캔틸레버 형 동적 히트 싱크를 활용한 열전-압전 하이브리드 하베스터의 특성을 보여주는 그래프

[그림 3] 열전-압전 하이브리드 하베스터의 출력을 이용해서 IoT 센서 구동 시간을 단축하여, 열전-압전 메커니즘의 시너지로 인해 하이브리드 전력을 증가시킬 수 있음을 보여주는 그림

○ 논문명: A synergetic effect of piezoelectric energy harvester to enhance thermoelectric Power: An effective hybrid energy harvesting method

○ 학술지: Energy Conversion and Management

○ 게재일: (온라인) 2023.10.30.

○ DOI: https://doi.org/10.1016/j.enconman.2023.117774

○ 논문저자

     - 신준철 박사후연구원(제1저자/KIST 전자재료연구센터)

     - 김승범 학생연구원(제1저자/KIST 전자재료연구센터)

     - 송현철 책임연구원(교신저자/KIST 전자재료연구센터)

     - 허성훈 선임연구원(교신저자/KIST 전자재료연구센터)

     - 최원준 교수(교신저자/KIST 전자재료연구센터)