에너지 하베스팅은 버려지는 에너지를 다시 수확해 전기로 만드는 친환경 기술이다. 특히 언제 어디서나 존재하는 진동 에너지 하베스팅은 기상 조건과 지형에 크게 영향 받지 않고 전력을 생산할 수 있어 차세대 전력 공급기술로 주목받고 있다.

한국표준과학연구원(KRISS)은 미세 진동을 좁은 영역에 가두고 증폭하는 메타물질을 개발했다고 27일 밝혔다.

이번 연구결과는 버려지는 진동을 전기에너지로 변환하는 에너지 하베스팅의 전력 생산량을 증대시켜 상용화를 앞당길 것으로 기대된다.

에너지 하베스팅은 열, 빛, 진동 등의 형태로 버려지는 에너지를 전기에너지로 변환하는 기술이다. 

이는 언제 어디서나 존재하는 진동을 에너지원으로 이용하기 때문에  환경제약에서 벗어나 안정적인 전력 생산이 가능하다. 

특히 24시간 일정 전력을 공급받아야 하는 IoT(사물인터넷) 센서나  혈압·혈당을 실시간 측정하는 웨어러블 의료기기를 위한 전력원으로 진동 에너지 하베스팅이 주목받고 있다.

하지만 진동 에너지 하베스팅은 전력 생산량이 낮고 생산 비용은 높아 실용성이 떨어지는 단점이 있다. 전력량은 진동의 크기와 비례하지만 일상에서 발생하는 진동은 대부분 미세하기 때문이다.

이를 해결하기 위해서는 상대적으로 큰 진동이 발생하는 위치를  찾아 압전소자 등 변환장치를 최대한 많이 설치해야 한다.

KRISS가 개발한 메타물질은 물질 내부로 들어온 미세한 진동을 가두고 축적해 45배 이상 증폭하는 특성을 갖는다.
이를 통해 적은 양의 압전소자를 사용해도 큰 전력을 생산할 수 있다. 

실제 연구팀은 메타물질을 적용한 진동 에너지 하베스팅으로 기존 기술보다 단위면적 당 네 배 이상의 전력 생산에 성공했다.

아울러 이번에 개발한 메타물질은 손바닥 면적 수준의 작고 얇은 평면 구조로 제작, 진동이 발생하는 곳 어디든 쉽게 부착할 수 있는 것도 장점이다.

게다가 부착대상 구조에 맞게 변형도 가능해 고층빌딩이나 교량의 손상을 점검하는 진단센서, 건강상태를 모니터링 하는 바이오 센서 등 다양한 분야에 적용할 수 있다.

이형진 KRISS 음향진동초음파측정그룹 선임연구원은 “이번 연구는 진동을 일시적으로 가두는 표면형 메타물질을 이용해 진동을 축적하고 증폭하는 데 성공한 세계 최초 사례”라고 설명했다.

또 승홍민 비파괴측정그룹 선임연구원은 “메타물질은 일반 센서로 측정이 어려운 초미세진동을 크게 증폭함으로써 차세대 고정밀·고민감도 센서 개발에도 활용될 수 있을 것”이라고 빍혔다.

한편 이번 연구는 성균관대 신소재공학부 김미소 교수팀과 공동으로 진행됐다.

대덕특구=이재형 기자 jh@kukinews.com