국내 연구진, 스스로 공진하며 에너지 수확하는 스마트 에너지 하베스터 개발

사물인터넷(IoT) 제품은 시공간에 구애받지 않고 설치돼야 하기 때문에 배터리나 전원선에 구애받지 않는 독립 전원이 필요하다. 자동차, 건물, 가전제품 등의 일상 환경에서 진동, 열, 빛, 전자기파와 같이 버려지는 에너지를 수확해 전기에너지로 변환하는 에너지 하베스팅 기술을 이용하면 외부 전원장치 없이 주변에서 수확한 에너지원만으로도 소형 전자기기를 구동하기 충분한 전기를 생산할 수 있다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 전자재료연구센터 송현철 박사 연구팀이 주변 환경에 따라 에너지 하베스터 스스로 공진을 맞추는 자동 공진 튜닝(ART, Automous Resonance Tuning) 압전 에너지 하베스터를 개발했다고 31일 밝혔다.

30㎐ 이상의 광대역 주파수 범위에서 스스로 공진을 튜닝하고 흡수한 진동 에너지를 전기 에너지로 변환시킬 수 있다.

자동차 엔진의 진동 에너지를 활용하여 위치 추적 장치 구동에 성공한 자가 튜닝 에너지 하베스터의 실용화 가능성을 보여주는 그림 (자료=KIST)

에너지 하베스팅 기술로 진동을 전기에너지로 변환하는 과정에서 불가피한 기계적 에너지 손실이 발생해 에너지 변환 효율이 낮아지는 문제가 있었다. 이를 해결하기 위해 물체의 고유진동수와 진동의 주파수가 일치할 때 큰 진동이 발생하는 공진 현상을 활용한다. 그러나 에너지 하베스터의 고유진동수는 고정돼 있는 반면, 일상의 다양한 진동들은 각기 다른 범위의 주파수에 분포하고 있다 이 때문에 에너지 하베스터의 사용 환경에 맞춰 매번 고유진동수를 조정하고, 공진을 유도해야 하기 때문에 실용화에 어려움이 있었다.

KIST 연구진은 별도의 전기장치 없이도 주변 진동수에 스스로 튜닝될 수 있는 특별한 구조의 에너지 하베스터를 개발했다. 에너지 하베스터 내부에 주파수에 따라 움직이는 적응형 클램핑 시스템(튜닝 시스템)을 부착해 에너지 하베스터가 주변의 진동을 감지하면 튜닝 시스템이 공진 주파수에 도달하게 되어 외부의 진동과 같은 진동수를 갖고 공진할 수 있게 된다. 그 결과, 2초 이내 빠른 공진 주파수 튜닝으로 광대역 주파수 대역(30㎐) 이상에서 연속적으로 전기를 생산할 수 있다.

이번 연구에서는 기존 압전 진동형 에너지 하베스터들과 달리 튜닝 시스템이 장착된 에너지 하베스터를 실제 주행하는 자동차 엔진에 부착, 진동 주파수가 지속적으로 변화하는 환경에서 자동 공진 튜닝으로 배터리 없이도 무선 위치 추적장치를 구동하는데 성공했다.