(오른쪽) 제안된 메타표면 부착물의 개략도, (왼쪽) 굴곡파 에너지 증폭을 위해 진동하는 강체 구조물에 설치된 부착물의 개념도

에너지 하베스팅은 낭비되는 에너지를 하베스팅하여 전기로 변환하는 친환경 기술입니다. 우리를 둘러싼 유비쿼터스 진동은 에너지 수확을 위한 유망한 소스 중 하나입니다. 특히 진동 에너지 하베스팅은 날씨나 지형 조건에 구애받지 않고 일정하게 전력을 생산할 수 있어 차세대 전원 공급 기술로 주목받고 있습니다.

한국표준과학연구원(KRISS)은 미세한 영역에서 미세 진동을 가두어 증폭하는 메타물질을 개발했습니다. 이러한 혁신은 낭비되는 진동 에너지를 전기로 변환하는 에너지 하베스팅의 출력을 높이고 상용화를 가속화할 것으로 기대됩니다. 이 논문은 Mechanical Systems and Signal Processing 저널에 게재되었습니다.

에너지 하베스팅은 열, 빛, 진동의 형태로 낭비되는 에너지를 전기 에너지로 변환하는 기술을 말합니다. 태양광을 에너지원으로 활용하는 태양광 발전이 일반적으로 사용되지만 출력이 일정하지 않고 특정 날씨 및 지형 조건에서 전력을 생산할 수 없는 등의 한계가 있습니다.

반대로, 유비쿼터스 진동을 에너지원으로 활용하면 주변 환경적 제약 없이 안정적인 발전을 가능하게 합니다. 이것이 진동 에너지 하베스팅이 24/7 상시 전원 공급이 필요한 사물 인터넷(IoT) 센서와 혈압과 당 수치를 실시간으로 측정해야 하는 웨어러블 의료 기기의 미래 전원으로 계속 주목받는 이유입니다.

진동 에너지 하베스팅을 방해하는 주요 문제는 전력 출력이 낮고 생산 비용이 높기 때문에 실제 적용에 적합하지 않다는 것입니다. 생산되는 전력의 양은 수확된 진동의 크기에 비례하지만 일상생활에서 접하는 대부분의 진동은 미미합니다. 이 중요한 문제를 극복하려면 상대적으로 큰 진동에 노출되는 여러 위치에 압전 소자와 같은 수많은 변환 장치를 설치해야 합니다.

KRISS가 개발한 메타물질은 그 안에 미세한 진동을 가두어 축적하고 이를 45배 이상 증폭시킵니다. 이를 통해 사용되는 소수의 압전 소자에 비해 대규모 전력을 생성할 수 있습니다. 연구팀은 개발된 메타물질로 진동 수확을 적용해 기존 기술보다 단위 면적당 4배 이상 많은 전기를 생산하는 데 성공했습니다.

특히 새로 개발된 메타물질은 성인 손바닥 크기의 얇고 평평한 구조로 진동이 발생하는 모든 표면에 쉽게 부착할 수 있습니다. 부착할 물체에 맞게 구조를 쉽게 수정할 수 있기 때문에 고층 건물이나 대형 교량의 손상을 확인하는 진단 센서부터 개인의 건강 상태를 모니터링하는 소형 바이오 센서에 이르기까지 적용 범위가 다양합니다.

한국과학기술연구원 음향·초음파·진동계측연구단 이형진 선임연구원은 "이번 연구는 진동을 일시적으로 가두는 표면 메타물질을 이용해 진동을 축적하고 증폭하는 데 성공한 세계 최초의 연구"라며 "이번 연구는 진동을 일시적으로 가두는 표면 메타물질을 이용해 진동을 축적하고 증폭하는 데 성공한 세계 최초"라고 말했습니다.

이상의 기사는 2024년 6월 25일 TechXplore에 게재된 “Harvesting unused micro-vibration to generate electricity”제목의 기사내용을 편집하여 작성하였습니다.

* 원문정보 출처 : Harvesting unused micro-vibration to generate electricity (techxplore.com)

* 추가정보 출처 : Finite elastic metasurface attachment for flexural vibration amplification - ScienceDirect

창조아고라 박윤석 VP wonyon@empas.com 박윤석 VP의 기사 더보기

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