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미세 자기장 이용 발전 소자 특성 극대화 성공

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작성일16-12-23 17:58 조회2,545회

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내 방 안의 발전소!

재료, 미세 자기장 이용 발전 소자 특성 극대화 성공

 

 

   # 전선 주변에 기생하는 미세한 자기장을 전기에너지로 변환해 스마트폰 충전 등에 활용할 수 있는 기술 보여

   # 에너지 변환 효율을 극대화 할 수 있는 소재 특성 개념 제시로 다양한 에너지 변환 소자 개발에 적용 가능

 

   재료연구소(소장 김해두, KIMS)는 재료연구소 분말/세라믹연구본부 류정호 박사팀과 한국표준과학연구원 산업측정표준본부 김미소 박사팀, 인하대학교 신소재공학과 정대용 교수팀으로 이루어진 공동연구팀이 전선 주변에 기생하는 미세자기장을 전기에너지로 변환해 스마트폰 충전 등 저 전력 전자기기의 전원으로 활용할 수 있는 기술을 개발하는데 성공했다고 밝혔다.

 

   발전소에서 각 가정과 건물로 전달되는 고전압과 고전류의 전력선을 비롯해 생활 속에서 사용하는 전자기기는 모두 전력을 전달받는 전선으로 연결되어 있다. 전류가 흐르는 모든 도체는 자기장 노이즈가 발생한다. 자기장 노이즈는 인체에 해롭거나 전가기기의 오작동을 유발할 수 있어 지금까지 없애거나 줄여야 할 대상으로만 인식되어 왔다. 본 연구팀은 이러한 자기장의 변화에 따라 변형을 일으키는 자왜(Magnetostriction) 소재와 변형에 따라 전기적인 에너지를 발생시키는 압전(Piezoelectric) 소재를 결합시켜 새로운 개념의 스마트 복합 소재를 개발했다.

   그 동안 학계에서는 압전 소재로 만들어진 에너지 하베스팅 소자의 출력 향상을 위해 압전 상수를 높이는 연구에만 주목했다. 이에 비해 연구팀은 압전 상수와 더불어 소재에서 발생하는 손실을 줄이는 것에 중점을 두고 연구한 끝에 매우 미세한 자기장 노이즈까지도 전기에너지로 변환시키는데 성공했다.

 

   전기가 흐르는 전선 주변에는 감지할 수 없을 정도로 매우 미세한 자기장 노이즈가 발생한다. 이런 미세한 자기장 노이즈를 전자기 유도 현상을 이용해 활용 가능한 수준의 전기에너지로 변환시키기 위해서는 수만 회가 감긴 전선 코일과 자성재료 코어를 사용해야 한다. 이는 무게가 수 킬로그램에 달해 무거울 뿐만 아니라 그나마 활용 가능한 전기에너지를 얻는다 해도 충분한 수준의 량을 얻기는 어렵다. 연구팀은 지난해 재료연구소에서 원천 기술로 개발된 자기-전기 결합 스마트 복합재료의 소재 특성을 더욱 향상시켜 같은 크기의 에너지 하베스팅 소자에서도 2배 이상의 전기에너지 수확을 가능케 함으로써 에너지 하베스팅 기술의 실용화 가능성을 더욱 높였다.

 

   사물인터넷(IoT), 빅 데이터 기술의 발달로 최근 다양한 종류의 센서를 통해 각종 정보를 무선으로 전달받아 실시간 관리가 가능한 무선 센서 네트워크 기술이 활발히 개발되고 있다. 대부분의 무선 센서 네트워크는 배터리를 사용하기 때문에 주기적으로 배터리를 교체해야 하는 등 사용시간의 제약이 따른다. 본 기술은 자기장이 존재하는 환경에서 사물인터넷 무선 센서 네트워크의 영구 독립전원으로 활용 가능할 뿐 아니라 소형 전자기기의 무선 전력 충전 기술로서도 활용 가능성이 크다.

   사물인터넷 기술은 유망한 미래 신성장 동력 분야이자 창조융합의 핵심으로 주목되고 있다. 국내 사물인터넷 시장 규모는 평균 29.2%의 증가율을 나타내며 2020년에는 228천억원을 상회할 것으로 전망된다.

 

   연구책임자인 재료연구소 류정호 책임연구원은 현재 본 연구의 기술 수준은 일상에서 노출되는 자기장 노이즈를 에너지 하베스팅해 저전력 전자기기나 사물인터넷 센서 네트워크 등을 구동할 수 있는 수준이지만, 기술을 심화 발전시키면 소형 드론 등 무인 항공기의 체공 시간을 늘려줄 수 있는 보조 전력 공급원으로도 발전할 수 있을 것이라고 말했다.

 

   본 연구는 재료연구소 주요사업, 글로벌 프론티어 사업, 미국 해군 연구처(ONRG: Office of Naval Research Global) 지원 연구사업 등을 통해 수행됐다. 이번 연구 성과는 재료연구소와 한국표준과학연구원, 인하대학교가 각각 보유한 특화 기술을 융합해 나온 결과로서 에너지 소재 분야의 세계적 학술지인 어드밴스드 에너지 머테리얼즈(Advanced Energy Materials)에 이달 21일에 발표되었다.

재료연구소는 원천 기술에 대해 국내와 미국의 특허 등록을 마쳤으며 심화기술로 국내외 6건의 특허가 등록 진행 중이라고 밝혔다.