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이수진 한국과학기술정보연구원 중소기업정보지원센터
김상우 한국과학기술정보연구원 중소기업정보지원센터
함영복 한국기계연구원 극한기계부품연구본부
압전에너지하베스팅
기술동향 및 전망
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차례
에너지 수확(harvesting) 왜하는 것일까? ● 05
진동 에너지 하베스팅이란 무엇일까? ● 09
압전에너지 하베스팅이란 무엇일까? ● 13
어디에 응용하고 현재 세계적인 연구동향은 어떠한가? ● 27
압전에너지 하베스팅 산업의 동향과 시장의 전망은? ● 49
압전에너지 하베스터로 펼쳐질 미래는? ● 55
참고문헌 ● 59
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에너지 수확(harvesting)
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에너지 하베스팅의 기술개요
전기에너지는 다양한 기기를 구동하는 핵심동력으로 수력, 화석연료,
핵연료 등 다양한 형태에서 얻어지며 배터리 등에 저장되어 사용되고
있다. 그런데 에너지 원료가 고갈되고 기존 화석연료, 핵연료
등은 공해물질을 발생시키므로 깨끗하고 무한정 사용할 수 있는
새로운 에너지원인 에너지 하베스팅에 대한 관심이 집중되고 있다.
에너지 하베스팅이란 태양광, 진동, 열, 풍력 등과 같이 자연적인
에너지원으로부터 발생하는 에너지를 전기에너지로 전환시켜 수확하는
기술을 일컫는다.
한편, 전자기술의 발전으로 기존 대형 전자기기가 소형화되고
있으며 이러한 소형 전자기기를 구동하는 에너지도 감소함에
따라 작은 규모의 소형발전에 대한 관심이 증가하고 있다. 이러한
소형발전에 대해 “에너지 하베스팅”, “Power harvesting” 또는
에너지 수확(harvesting)
왜하는 것일까?
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“Energy Scavenging”과 같은 용어로 많은 연구가 이루어지고 있다.
특히 20세기 나노기술이 발전함에 따라 기존에 버려졌던 미세한
에너지까지도 효과적으로 수확할 수 있는 단계에 이르고 있다.
일반적으로 전기기기는 배터리를 통하여 구동되며, 외부의
전력공급원을 이용하여 배터리를 충전한다. 현재 배터리의 에너지
밀도는 꾸준히 향상되고 있지만 배터리가 차지하는 부피와 무게가
상당하고, 배터리가 모두 방전되면 충전하거나 교체해야 하는 문제점이
있다. 특히, 가까운 미래에 많이 사용될 것으로 예측되는 유비쿼터스
센서 네트워크는 저전력 CMOS를 이용한 무선통신모듈과 센서를
부착한 센서노드를 넓은 지역에 임의적으로 분포시켜 센싱하고
센싱자료를 무선으로 보내는 것을 특징으로 하고 있으나 주기적으로
배터리를 교체해야 하는 근본적인 문제점을 가지고 있다. 넓은 지역에
임의로 분포된 센서노드를 전선으로 연결하는 것은 현실적으로
불가능하며 배터리를 사용할 경우에는 넓은 지역에 산재한 배터리를
주기적으로 교환하는 어려움과 배터리 교체에 의한 공해문제가
발생하는 단점이 있다.
그림 1｜에너지 하베스팅의 개념도 [7]
Moving
미활용 기계에너지(압력, 진동, 풍력 등)를 전기에너지로 변환, 활용하는 기술
TouchVibrationWind
새로운 개념의 신재생에너지
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“자연에서 버려지는 에너지를 유용한 전기에너지로 변환 ”하여
이용하는 에너지 하베스팅은 이러한 소형전자기기의 전원공급 문제를
근본적으로 해결할 수 있는 방법으로 제시되고 있다. 소형 에너지
하베스팅 방법에는 태양광을 이용한 태양발전, 기계적인 에너지를
이용한 압전발전, 기계적인 운동과 전자기적현상을 이용한 발전 및
용량성(capacitive) 발전, 폐열을 이용한 열전발전 등이 있다. 각각의
방법은 장단점을 가지고 있으며 주어진 자연환경에 적합한 방법이
선택되어 적용될 수 있다. 예를 들면, 태양발전의 경우 생성되는
에너지양은 크지만 흐린 날이나 실내에서는 사용할 수 없는 단점이
있다. 반면, 압전에너지 하베스팅은 표 1에서와 같이 다른 발전방법에
비해 에너지 밀도가 높고, 기후에 관계없이 실내외 기계진동을 이용할
수 있고, 풍력, 바다의 파도 등 다양한 형태의 기계적 에너지를
전기에너지로 변환할 수 있어 많은 연구가 진행되고 있다.
본 보고서는 압전에너지 하베스터의 일반적인 내용과 연구동향,
미래연구방향 및 전망에 대해서 살펴보고자 한다.
표 1｜에너지 하베스팅 특성 비교 [26]
에너지 원 전력 밀도 [mW/cm³] 효 율 [%]
태양광(Photovoltaic) 500 ~ 5000 5 ~ 40
압전(Piezoelectric) 0.001 ~ 90 25 ~ 60
전자기(Electromagnetic) 0.1 ~ 50 30 ~ 40
열전(Thermoelectric) 50 ~ 500 0.1 ~ 10
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진동 에너지 하베스팅 개념 및 방식
진동에너지를 이용한 에너지 하베스팅(vibration energy
harvesting)은 기계적 진동을 전기 에너지로 전환하는 기술로 기존의
태양 전지, 풍력, 연료 전지 등과 같은 친환경 에너지와 달리 주변에
존재하는 미세 진동이나 인체 활동 중 미세한 움직임으로부터 발생하는
소모성 기계적 에너지를 전기 에너지로 무한히 추출할 수 있는 에너지
개념이다.
기계적 진동 에너지를 전기 에너지로 변환하는 방식에는 정전기
(electrostatic), 전자기(electromagnetic), 압전(piezoelectric)효과
등을 이용하는 방식이 있다. 물질에 힘을 가하였을 때 전압이 발생하는
현상인 압전 효과를 이용한 압전에너지 하베스팅은 변환 효율이 크고
소형, 경량화가 가능하다는 장점으로 각종 센서, 무선모바일 소형
전자기기에 적합한 대체 에너지원으로 활용 가능하다.
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그림 2｜진동에너지 하베스팅의 방식 [9]
•Pre bias : Poling•Strain → Charge separation → Voltage (across capacitor)
•Pre bias : DC voltage•Displacement → Capacitance change → Voltage or charge
•Pre bias : Magnet•Coil moving (through magnetic field) → Current
Vibration Electricity
PiezoelectricElectrostatic
Electromagnetic
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압전에너지 하베스팅의 개념
압전체를 이용한 에너지 하베스팅 기술은 압전체에 기계적 변형이
인가되면 전기 에너지가 발생하는 효과를 이용하여 주위에 버려지는
힘이나 압력, 진동 같은 에너지를 우리가 사용 가능한 전기 에너지로
변환하여 주는 것을 말한다. 기존의 자석을 이용한 발전보다 작은
진동을 전기에너지로 변환하는데 용이할 뿐만 아니라 에너지 변환 효율
또한 높은 장점을 가지고 있다.
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그리고 압전을 이용한 에너지 하베스팅은 태양광이 없는 어두운
곳이나 밤에도 발전을 할 수 있는 이점을 가지고 있다. 따라서 항상
진동이 있거나 압력이나 힘이 작용하는 곳, 물의 흐름이 있거나 바람이
부는 곳에서도 사용 될 수 있을 것으로 예측된다.
압전에너지 하베스터의 기본원리
압전현상이란 진동, 충격 등의 기계 에너지를 전기 에너지로
변환하는 것으로 버너의 점화기(igniter), 센서 등에 적용되어 왔다.
그러나 점화기, 센서는 순간적으로 발생한 전기에너지를 감지하여
활용하는 것으로 순간적으로 발생한 미세한 전기에너지를 축적하여
언제든지 쓸 수 있도록 만든 에너지 하베스팅과 대비된다. 실제 압전
하베스팅 기기는 기본적으로 외부의 기계적 에너지를 압전재료에
전달, 전달된 기계적 에너지를 압전재료를 이용하여 전기에너지로
변환, 변환된 에너지를 전기적인 회로를 통하여 슈퍼 캐퍼시터(super-
capacitor)나 2차전지에 축전하는 크게 3가지 부분으로 이루어져 있다.
그림 3｜압전에너지 하베스팅의 개념도 [10]
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에너지 변환효율을 높이기 위해서는 즉, 기계적인 에너지를
효과적으로 전기적 에너지로 변환, 저장하기 위한 방법으로 첫째,
외부의 진동을 효과적으로 압전체에 전달할 수 있도록 기계적인
임피던스 매칭(impedance matching)이 이루어야 하고 둘째, 기계적
에너지를 전기적 에너지로 변환하는 재료의 전기-기계 결합계수가
커야 하며 셋째, 생성되는 에너지를 외부회로에 전달하기 위해
전기적인 임피던스 매칭이 되어야 한다. 현재까지 보고된 연구를
종합적으로 살펴보면 위의 3가지 분야인 기계, 재료, 전기회로가
융합적인 형태로 연구되고 있으며 참여 연구자들의 전문분야에 따라 그
접근방식이 조금씩 다른 특징이 있다.
압전에너지 하베스터의 구조
외부에서 발생한 기계적인 에너지를 효과적으로 압전재료에 전달하기
위해서는 기계적인 임피던스 매칭을 해야 하고 진동 종류에 따라 압전
하베스터의 구조가 달라져야 한다. 진동은 표 2와 같이 크게 3가지로
나눌 수 있으며 각 진동의 특성에 적합하도록 압전에너지 하베스터의
구조가 결정되어야 한다.
그림 4｜일반적인 압전에너지 하베스팅의 구조 [1]
Vibration, StressMechanicalEnergy
Rectifying
Mechanical Impedance matching(structure)
Mechanical-electrical coupling(materials) electrical impedance matching
(circuit)
V
Load or battery
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표 2｜기계적인 진동 종류 분류 및 특징
진동의 종류 특 징
준정적
(Quasi-static)
• 가진 주파수는 에너지 변환 장치의 기본 공진 주파수 보다 훨씬 낮다. 예) 신발,
무선 버튼 송신기, 에너지 하베스팅 힐 등
•낮은 주파수
•큰 힘의 작용
조화 주파수
(Harmonic)
• 첫 번째 유형 : 변형이 집중된 진동 구조의 마디 점에 설치된 압전체. 예) 회전
기계(rotating machine)
• 두 번째 유형 : 진동체의 운동에너지 또는 가속을 잡기위한 질량체 사용. 예)
헬리콥터 날개
충격
(Impulsive)
•이완시간보다 짧은 가진시간(예: 압연, 자동차 타이어)
•가진율이 10%이하인 큰 가속
기계적인 진동을 효과적으로 전달하기 위한 구조는 기계적인 진동에
관한 식 (1)을 고려하여 개발되어야 한다. 식 (1)에서 기계적인 에너지는
힘과 변위에 의해 결정되며 힘의 크기와 변위의 크기에 따라 압전
하베스터의 구조가 변경되어야 한다.
(1)
여기에서 E는 에너지, F는 가해주는 힘, l은 변위, m은 무게, a는
가속도를 나타낸다. 예를 들면 MIT에서 발표한 그림 5의 신발에서는
사람의 걸음걸이 같은 준정적한 진동을 전기에너지로 변환할 수 있는
압전 하베스터를 부착해야 한다. 사람의 걸음걸이에서 뒷꿈치 부분은
강한 압축응력을 제공하며 앞발가락 부분은 앞으로 미는 힘이 가해지는
비틀림 응력이 크게 작용한다. 따라서 압전 하베스터 구조도 이러한
응력을 맞추어 변경되어야 한다. MIT에서 신발의 뒤축은 세라믹을
이용한 썬더(Thunder)구조를, 앞발가락 부분에는 폴리머를 이용한
적층구조의 압전 하베스터를 부착하였다. 이외에도 펜실베니아
주립대학에서는 자동차 엔진의 큰 힘을 발전에 이용하기 위하여 그림
6의 심벌즈(Cymbal)구조를 이용한 하베스터를 제작하였다.
→ → →
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한편, 세탁기, 전자레인지 등은 주기적인 진동을 발생하며,
발생하는 진동 주파수가 압전 하베스터의 고유진동수와 일치할 때
가장 큰 전기에너지가 생산된다. 압전발전에 일반적으로 사용되는
세라믹재료는 매우 단단하며 길이 1 cm정도의 압전세라믹의 기계적인
공진주파수는 1 MHz이내이다. 그런데 표 3에서와 같이 대부분의
주기적 진동 주파수는 수백 Hz영역으로 세라믹의 길이가 매우
길어야 공진주파수를 외부 진동주파수와 일치시킬 수 있다. 따라서
공진주파수를 낮추기 위해서 캔틸레버형[cantilever: 외팔보]의 에너지
하베스터를 많이 이용한다.
그림 5｜(a)MIT에서 개발한 세라믹을 이용한 썬더구조, (b)폴리머를 이용한 적층구조의 압전 하베스터,
(c)신발부착 개략도, (d)신발부착 사진 [14]
그림 6｜펜실베니아주립대학에서 제작한 CYMBAL 구조의 에너지 하베스터 [15]
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캔틸레버형 압전에너지 하베스터는 공진주파수에서 최대변위를
나타내며 이때 생성되는 에너지가 최대가 된다.
표 3｜진동원의 종류 및 특성
진동원 최고 주파수(Hz) 최대 가속(m/s2)
부엌 믹서 케이싱 121 6.4
의류 건조기 121 3.5
도어 프레임(문 닫힌 후) 125 3
작은 전자 레인지 121 2.25
사무실 환기구 60 0.2 ~ 1.5
사람들이 걷는 나무 갑판 385 1.3
빵 메이커 121 1.03
번화가 옆의 외부 창문(2ft x 3ft 크기) 100 0.7
CD를 읽는 동안의 노트북 컴퓨터 75 0.6
세탁기 109 0.5
나무 프레임으로 만들어진 사무실 건물의 2층으로
이어지는 계단28 ~ 100 0.2
냉장고 240 0.1
한편 진동원의 주파수를 캔틸레버의 고유 주파수와 일치시키면
큰 변위를 얻을 수 있으나 진동원의 주파수가 캔틸레버의 고유
주파수에서 벗어나면 변위가 급격히 줄어들어 출력이 급격히 감소한다.
이러한 캔틸레버의 진동원 주파수에 대해 감도는 캔틸레버의 기계적
품질계수로 표현되며 진동원의 주파수변화에 따른 출력 특성의 급격한
그림 7｜KIST에서 제작하여 진공펌프에 부착한 캔틸레버(오른쪽), 버클리에서 제작한 캔틸레버(왼쪽) [16]
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변화를 방지하기 위해서는 적절한 대역폭(bandwidth)를 가지는
캔틸레버 구조가 필요하다. 몇몇 연구자들은 캔틸레버의 진동원
주파수 변화에 따른 출력의 감소를 억제하기 위해 캔틸레버의 형태를
지능적으로 변화시키는 연구를 수행하고 있다.
압전재료의 성질
압전재료에서 생성되는 전기에너지는 식 (2)와 같이 재료 특성인
전기-기계결합계수(k, electro-mechanical coupling coefficient)에
의해 결정되며 주어진 진동에서 많은 전기에너지를 얻기 위해서는
전기-기계결합계수가 큰 재료 개발이 필요하다.
(2)
u는 생성되는 최대 전기에너지, Y는 재료의 영률(Young’s
modulus), T는 재료에 가해주는 응력의 크기를 나타내며 재료의 전기-
기계결합계수(k)는 식(3)과 같이 표현된다.
(3)
여기에서 d는 재료의 압전상수, e는 재료의 유전율을 나타낸다.
대표적으로 많이 사용되는 세라믹 압전재료로는 Pb(ZrTi)O3 (PZT)가
있으며 폴리머 압전재료는 PVDF(Poly-Vinylidene Di-Fluoride)가
있다. 세라믹 압전재료인 PZT의 기계-전기 결합계수는 k = 0.5로
PVDF의 k = 0.2보다 큰 장점이 있으나 폴리머에 비해 단단하여 적은
진동으로 에너지가 발생될 수 없으며, 잘 깨져서 큰 변형에는 사용할
수 없는 단점이 있다. 반면, 폴리머는 유연하여 큰 변위에 사용될 수
있으나 전지-기계결합계수가 작다는 단점이 있다. 따라서 세라믹의
높은 전기-기계결합계수와 폴리머의 유연성을 이용한 세라믹-폴리머
복합재료를 사용한 하베스터를 제작하기도 한다.
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강유전특성을 가지는 재료는 일반적으로 압전특성이 우수하며 그림
9와 같은 이력곡선을 보인다. 강유전재료를 폴링하면 일정방향으로
자발분극을(Pr) 가지게 되며 분극이 배열된 재료에 힘(F)를 가하면
재료의 분극변화는(∆P) 식 (4)와 같이 발생하며 재료를 외부저항과
연결하면 식 (5)와 같이 전류가 발생한다.
(4)
D는 전기 변위(electrical displacement)로 강유전재료에서
분극(P)와 거의 같은 값을 가지며 d는 압전상수, T는 가해주는 응력
(F/A), ∈T는 일정 응력조건에서 유전율을 나타낸다. E는 재료에
가해주는 전기장의 크기를 나타내며 대체로 압전에너지 하베스터에
전기장을 가해주지 않으므로 0값을 가진다.
그림 8｜Smart Materials사의 매크로 합성 섬유와 이를 이용한 에너지 하베스터 [20]
그림 9｜압전재료의 전류생성 개념도 [1]
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(5)
여기에서 i는 생성되는 전류의 크기를 나타내며 압전재료의 면적과
분극변화에 비례하며 시간 변화에 반비례한다. 위 식에서 시간의
변화는 진동원의 주파수에 의해 결정되므로 빠른 진동환경에서 많은
전류를 생산한다. 또한 재료의 분극변화는 식 4에서와 같이 재료의
고유특성인 압전상수에 비례하므로 압전상수가 큰 재료를 개발하거나
재료의 면적을 크게 하여 생성되는 전류량을 크게 할 수 있다.
일반적으로 압전에너지 하베스터에 의해 생성된 전류는 그 양이 매우
적어 슈퍼 캐퍼시터 또는 2차전지에 충전한 후 센서노드를 구동하는데
이용된다. 그런데 만약 발생전압이 슈퍼 캐퍼시터나 2차전지의
전압보다 높다면 충전시간은 전류량의 크기가 클수록 짧아지므로
발생하는 전류량을 증가시켜야 한다. 따라서 충전시간을 줄이기 위해서
분극변화가 큰 재료 개발과 생성되는 전류량을 증가시킬 수 있는
연구가 필요하다.
생산되는 전류값을 증가시키는 위하여 전극구조를 변경하거나
압전체의 방식을(d31 또는 d33) 변화로 만드는 연구도 수행되었다.
전류량을 증가시키기 위한 또 다른 방법으로 다층구조의 세라믹을
활용할 수 있다. 다층구조로 제작할 경우 압전체의 두께가 얇아져
발생하는 전압은 낮아지나 생성되는 전류량은 압전체에 사용되는
전극의 면적, 즉 압전체 층수에 의해서 증가한다.
전류를 증가시키는 다른 방법은 주어진 응력에서 분극변화를 크게 할
수 있어야 한다. 이론적으로 외부 응력에 따른 분극변화의 크기는 압전
상수와 비례하는 것으로 압전 재료의 종류에 따라 다르며, 일반 PZT계
압전 재료의 경우 부드러운 재료가 단단한 재료보다 크다. 그러나
부드러운 PZT세라믹의 특성은 수많은 영역(domain)이 통계적으로
배열되면서 나타나는 것이므로 최대의 특성을 얻기 위해서는 분극을 한
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방향으로 배열하는 단결정이 보다 유리하다.
그 림 1 0 은 < 1 1 1 > 방 향 으 로 자 발 분 극 을 가 지 고 있 는
마름모(Rhomboh e d r a l ) P b ( Zn 1/3N b 2/3) O 3 - P bT iO 3
( PZN-PT ) 결정을 <001> 방향과 <111>방향으로 배열한 후 전압을
가했을 때 나타나는 분극변화를 보여주고 있다. <111>방향의 자발
분극이 <001>방향으로 가해준 전압에 의해 <001> 방향으로 회전하면서
나타내는 분극변화가 <111>방향의 자발 분극을 <111>방향으로
전압을 가했을 때 나타나는 분극 변화보다 크다. 이와 같이 단결정
상(phase)의 종류, 결정 방향, 분극방향에 따라 서로 다른 크기의
분극변화를 얻을 수 있으며 이를 이용한 고밀도 에너지 생산용 압전
하베스터 개발 연구가 이루어지고 있다.
압전에너지 하베스터를 구성하기 위한 전기회로
압전 하베스터에 의해 생성된 교류 전압을 슈퍼 캐퍼시터나
2차전지에 충전하기 위해서는 정류다이오드와 평활화 캐퍼시터를
이용하여 직류로 변환시켜야 한다. 그런데 압전재료는 전기적으로
전압발생기, 유전체, 저항의 조합으로 외부저항이 변화함에 따라
생성되는 에너지가 변화한다. 특히 주기적인 진동으로 발전기에서
생성되는 최대 에너지는 외부 임피던스가(ZL) 특정주파수에서
진동하는 압전체의 임피던스와 일치할 때, 즉 전기적인 임피던스
매칭(impedance-matching) 조건에서 나타나며 전기적인 임피던스
정합은 식 (6)에 의해 결정된다.
그림 10｜마름모 구조의 결정을 <001>방향과 <111>방향으로 분극하여 전압을가했을 때 나타나는 분극 크기 변화 [3]
no bias, after polingunder bias along<001> under bias along<111>
Poling Direction<001><001> <111> Poling along <111>
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f는 압전에너지 하베스터의 진동주파수, C는 진동주파수에서
압전재료의 정전용량(capacitance)을 각각 나타낸다.
생성되는 에너지를 효과적으로 외부에 전달하기 위해서는 외부저항과
압전체의 저항을 일치시킬 수 있는 전기회로 구성이 필요하다.
현재까지 보고된 전기회로는 크게 그림 12 ~ 그림 14의 3가지로
파악되며 생성되는 에너지양과 동작할 에너지양, 제작비용을 고려하여
적절한 회로가 구성되어야 한다.
그림 12는 정류다이오드와 평활화 캐퍼시터를 가지는 외부
임피던스의 조정없이 사용하는 가장 간단한 회로이다. 수동소자로만
이루어져 있어 회로를 구동할 전원이 필요 없어 생성되는 에너지양이
그림 11｜외부저항의 변화에 따라 생성되는 파워변화
(예: KIST에서 제작한 적층형 압전세라믹을 이용하여 측정한 결과) [21]
그림 12｜정류다이오드, 평활화 캐퍼시터(Cr)를 가지는 단순회로 [15]
Load(kΩ)
1 layer
Power(mW)
2 layers
5 layers
120
100
80
60
40
20
0
0 50 100 150 200
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(6)
f는 압전에너지 하베스터의 진동주파수, C는 진동주파수에서
압전재료의 정전용량(capacitance)을 각각 나타낸다.
생성되는 에너지를 효과적으로 외부에 전달하기 위해서는 외부저항과
압전체의 저항을 일치시킬 수 있는 전기회로 구성이 필요하다.
현재까지 보고된 전기회로는 크게 그림 12 ~ 그림 14의 3가지로
파악되며 생성되는 에너지양과 동작할 에너지양, 제작비용을 고려하여
적절한 회로가 구성되어야 한다.
그림 12는 정류다이오드와 평활화 캐퍼시터를 가지는 외부
임피던스의 조정없이 사용하는 가장 간단한 회로이다. 수동소자로만
이루어져 있어 회로를 구동할 전원이 필요 없어 생성되는 에너지양이
적을 때 많이 사용된다.
그림 13은 앞 회로에서 평활화 캐퍼시터와 외부부하(슈퍼 캐퍼시터
또는 2차전지) 사이에 DC/DC 변환기를 둔 것으로 PWM (Pulse Width
Modulation)을 이용 사용율(duty cycle)을 조절하여 효율을 높인
회로이다. 그러나 이 회로를 구동하기 위해서는 전원이 필요하므로
생성되는 에너지가 회로를 구동하는데 사용되는 에너지보다 클 때
사용할 수 있다.
그림 14는 압전재료를 이용한 댐핑(damping) 연구결과를 응용한
회로로 압전체의 변위와 전기적인 회로 (S)의 단락을 동기화 시켜서
발생하는 전류를 최대로 만들 수 있음을 보여주고 있다.
그림 13｜펜실베니아주립대학에서 개발한 DC/DC 변환기(converter)를 이용한 회로의 모식도와 회로 [15]
그림 14｜Series형태의 SSHI(Synchronous Switch Harvesting on Inductor) 회로와 발생하는 전압, 전류모양 [15]
TemporaryStorage
Energy StorageDevice
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어디에 응용하고
현재 세계적인 연구동향은
어떠한가?
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압전에너지 하베스팅의 연구동향
압전에너지 하베스팅은 큰 규모의 발전장치부터 소형 나노기계까지
다양한 분야에서 응용 연구가 활발히 진행되고 있다. 본 장에서는
압전에너지 하베스터의 연구동향 및 응용 사례에 관하여 소개하고자
한다.
어디에 응용하고 현재 세계적인
연구동향은 어떠한가?
그림 15｜압전나노발전소자 기술의 출원특허 및 발표논문 동향 [6]
출원
건수
출원년도
1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011
30
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10
5
0
40
35
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25
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10
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Publicaiton Year
No. ofp
ublic
ations
Nanogeneragor
1 12
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압전에너지 하베스팅의 연구동향
압전에너지 하베스팅은 큰 규모의 발전장치부터 소형 나노기계까지
다양한 분야에서 응용 연구가 활발히 진행되고 있다. 본 장에서는
압전에너지 하베스터의 연구동향 및 응용 사례에 관하여 소개하고자
한다.
그림 15는 현재까지 나노선 기반의 나노 발전 소자 기술 발표 논문
수를 그래프로 나타낸 것이다. 압전 나노구조체 기반의 나노 발전
소자에 대한 연구 논문은 2011년까지 108건이 발표되었다. 나노구조체
제조 기술이 발전함에 따라 2006년 이후 매년 크게 증가하였으며 전
세계적으로 많은 연구가 진행되고 있음을 알 수 있다.
그림 16과 같이 압전에너지 하베스팅은 군수용 발전장치, 의료용
장치의 보조 전원, 자동차의 2차 발전장치, 착용 가능한(wearable)
전자제품 등에 적용하기 위한 연구가 진행 중에 있으며 유비쿼터스
센서 네트워크(USN)의 에너지원으로 검토되고 있다. 이밖에도
인공심장, 심장 박동기 등 인체에 적용하는 응용이나 건축 구조물
진단용 센서 전원 등의 소규모 전원, 로봇 등의 차세대 전자장치의
전원으로 응용 가능성에 대한 연구가 진행 중이다.
현재 미래의 다양한 응용을 위해서 미국, 독일을 중심으로 연구가
활발히 진행되고 있으며 특히 미국의 경우 캘리포니아 버클리대학
기계공학과, 펜실베니아 주립대학의 음향 및 진동 연구 센터, 버지니아
폴리텍 연구소 및 주립 대학의 지능형 재료 시스템 및 구조 연구센터를
중심으로 이론적 접근뿐 아니라 에너지 하베스팅 기술과 관련된
회로연구도 수행하고 있다.
그림 16｜기계적 에너지 수확 및 응용 분야 [6]
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버어지니아 공과대학에서는 세라믹-폴리머 압전 복합재를 이용하여
2차전지에 충전하는 연구를 수행하였으며 텍사스의 알링톤 대학에서는
풍차에 압전체를 이용한 발전을 연구하였다.
유럽에서는 VIBES (Vibration Energy Scavenging)이라는
컨소시움을 구성하여 영국, 독일, 프랑스, 이태리 등에서 활발하게
연구하고 있다. 독일의 EnOcean사는 Siemens사에서 분리된 회사로
압전에너지 하베스터와 센서를 일체화한 센서노드를 판매하고
있다. 이태리 Tyndall National Institute에서는 PVDF를 신발에
적용한 연구를 수행하였다. 프랑스 리용 INSA에서는 에너지
하베스팅 회로연구를 활발히 진행하였다. 벨기에 Interuniversity
Microelectronics Center 에서는 MEMS기술과 압전 소자를 이용해
기계적 진동으로부터 40㎼의 전력을 얻을 수 있는 부품을 개발하였다.
일본에서는 기업을 중심으로 아이디어 상품을 많이 제조하여 판매하고
있으며 대학을 중심으로 다양한 종류의 연구를 수행하고 있다.
그림 17｜텍사스 알링톤대학에서 제작한 압전체를 이용한 풍차 [24]
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버어지니아 공과대학에서는 세라믹-폴리머 압전 복합재를 이용하여
2차전지에 충전하는 연구를 수행하였으며 텍사스의 알링톤 대학에서는
풍차에 압전체를 이용한 발전을 연구하였다.
유럽에서는 VIBES (Vibration Energy Scavenging)이라는
컨소시움을 구성하여 영국, 독일, 프랑스, 이태리 등에서 활발하게
연구하고 있다. 독일의 EnOcean사는 Siemens사에서 분리된 회사로
압전에너지 하베스터와 센서를 일체화한 센서노드를 판매하고
있다. 이태리 Tyndall National Institute에서는 PVDF를 신발에
적용한 연구를 수행하였다. 프랑스 리용 INSA에서는 에너지
하베스팅 회로연구를 활발히 진행하였다. 벨기에 Interuniversity
Microelectronics Center 에서는 MEMS기술과 압전 소자를 이용해
기계적 진동으로부터 40㎼의 전력을 얻을 수 있는 부품을 개발하였다.
일본에서는 기업을 중심으로 아이디어 상품을 많이 제조하여 판매하고
있으며 대학을 중심으로 다양한 종류의 연구를 수행하고 있다.
현재 대부분의 압전에너지 하베스터를 큰 크기로 제작하고 있으나
미래의 유비쿼터스용 센서 네트워크에 이용하기 위해서는 소형화가
이루어져야 한다. 이를 위해서 MEMS공정을 이용한 연구가 미국, 중국
등에서 진행되고 있다.
또한 미래의 웨어러블 컴퓨터(wearable computer)를 실현하기 위한
고효율 유연한 압전에너지 하베스터 개발 연구가 활발하게 진행되고
있다. 더불어 작은 크기의 변형에서도 발전할 수 있도록 나노구조
발전에 대한 연구도 학계를 중심으로 활발하게 진행되고 있다.
압전에 의한 에너지수확기술은 다양한 분야에서 응용되고 있는데
그림 18｜일본 NEC-Tokin에서 제작 설치한 에너지 하베스터 응용 예 [15]
그림 19｜미국 MIT에서 MEMS를 이용하여 제작한 압전에너지 하베스터의 구조 [22]
Piezoelectricbimorph
Si
Proof Mass
Interdigitated Electrode
PZT
ZrO2
membrane
PZT Ceramic HolderFibercompositeball
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응용 사례로 아래 그림 20과 같이 기기가 소비하는 에너지 스케일에
따라 분류하자면 매크로(macro scale)와 마이크로(micro scale)로
나눌 수 있다. 보통 사람이나 자동차 등 기계적 동작을 이용한 발전부터
충전을 통해 보조전력 또는 대용량발전까지를 매크로(macro)로
분류하고, MEMS기반 압전발전으로 소량의 진동이나 충격으로
발전하여 센서, 소형전자기기 전원 및 보조전원으로 사용되는 기술을
마이크로(micro)로 구분하고 있다.
압전에너지 하베스팅이 구체적으로 응용되고 있는 사례를 분야별로
소개하자면 다음과 같은 것들이 있다.
그림 20｜전자기기 소비 전력 및 응용장치 [6]
Power Application
100mW
10mW
1mW
0.1mW
0.01mW
0.01mW
NEMS 소자 ~ 0.01mW
. . ..
유량 Monitoring 2mW
구조안전 진단 시스템 1.7mW
RF MEMS switch 0.5mW
마이크로 로봇 ~ 0.2mW
풍력 에너지 변환장치 ~ 100mW
빌딩 공정 자동 조절장치 ~ 50mW
광고판 송수신 모듈 40mW
Low power Sensor Electronics ~ 50mW
Wireless Transmitter 28mW
RF 통신 송수신 20mW
Smart Tire~ 20mW
라디오 송수신모듈 12mW
해양 Remote Sensor ~ 10mW
진동 Monitoring 4.75mW
자동차 텔레메트릭스 9.4mW
Wire Health Monitoring 4.75mW
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응용 사례로 아래 그림 20과 같이 기기가 소비하는 에너지 스케일에
따라 분류하자면 매크로(macro scale)와 마이크로(micro scale)로
나눌 수 있다. 보통 사람이나 자동차 등 기계적 동작을 이용한 발전부터
충전을 통해 보조전력 또는 대용량발전까지를 매크로(macro)로
분류하고, MEMS기반 압전발전으로 소량의 진동이나 충격으로
발전하여 센서, 소형전자기기 전원 및 보조전원으로 사용되는 기술을
마이크로(micro)로 구분하고 있다.
압전에너지 하베스팅이 구체적으로 응용되고 있는 사례를 분야별로
소개하자면 다음과 같은 것들이 있다.
마이크로 스케일(micro scale)
- 에너지 변환 및 저장이 가능한 자가충전 파워 전지
미국 조지아 공대(Georgia Institute of Technology) Zhong Lin
Wang 교수가 이끄는 연구진은 기계적 에너지를 화학적 에너지로
직접 변환하여 자가 충전이 가능한 파워 전지를 개발하였다. 단순한
전기 생산에서 벗어나 에너지 생산-저장이 동시에 가능한 효율적인
혼합형 전지이다. 연구결과는 2012년 8월 9일자 Nano Letters지에
“Hybriding Energy Conversation and Storage in a Mechanical-
to-Electrochemical Process for Self-Charging Power Cell”
이란 제목으로 게재됐고 이번 연구는 미국의 국방 첨단과학기술
연구소(DARPA/Defense Advanced Research Projects Agency),
미공군, 에너지성(DOE) 의 자금 지원을 통해 이루어 졌다.
- 소형센서노드 구동을 위한 소형발전
미국 미시간대학에서는 USN 센서 노드 구동을 위한 소형
발전기를 MEMS기술을 이용하여 제작하였다. 하베스터의 크기는
약 27㎣정도이며 155㎐의 동작주파수와 14㎐의 대역폭을 가지고
있으며 1.5g 진동에서 20㎼ 정도의 에너지를 생산하여 1.85V의
슈퍼 캐퍼시터에 충전한다. 이는 현재까지 개발된 것보다 5~10배 더
효율적이며 크기는 미화 1센트 동전보다 작다.
그림 21｜미시간대학 연구진이 발명한 새로운 에너지 하베스터 [31]
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네덜란드 IMEC에서도 PZT박막을 MEMS공정으로 가공하여 압전
발전기를 제조하였다. 이 새로운 하베스터는 1.8kHz 공진주파수
180nm 진동에서 최대 40uW를 생산한다. 이론적으로 이 디바이스는
10년~20년 동안 정기적인 유지보수없이 작동할 수 있으며, 의료 및
자동차 산업에 사용될 수 있다.
- 달리는 타이어의 운동을 이용한 발전기
미국 조이아공대의 Wang교수는 ZnO나노와이어를 이용하여
압전발전기를 제작한 후 달리는 타이어에 적용하였다. 연구 결과는
“회전하는 타이어로부터 에너지를 수확하는 나노발전기와 자가발전
압력/속도 센서로서의 응용”이라는 제목의 논문으로 Advanced
그림 22｜IMEC에서 실현한 마이크로 머신 압전 변환기의 상위 사진 [32]
그림 23｜(a)차량 이동중 타이어, (b)형상변화, (c)실험설정 스케치지도,
(d)나노발전기를 접착 테이프를 이용하여 타이어 내면에 고정 [33]
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Materia ls에 게재됐다. 연구팀이 구축한 실험 조건 하에서
나노발전기를 타이어에 장착하고 운전하여 1.5V 전압과 25nA의
전류로 LCD 스크린을 직접 밝힐 수 있다. 제작한 압전발전기 크기는 약
1.5cm × 0.5cm 크기이며 최대 파워밀도는 70 ㎼/㎤ 이다.
매크로 스케일(macro scale)
- 발전기 구조 변경을 통한 발전효율 증대 연구
(a) (b)
미국 NASA의 Xu 박사 등은 압전발전기의 효율을 증가시키기 위하여
PZT 벌크 세라믹을 적층한 후 그림 24와 같은 구조로 제작하였다.
일반적인 세라믹의 경우 기계-전기에너지 변환효율이 7%인데 새롭게
제작한 구조는 26%를 보인다고 보고되었다. 위 그림(왼쪽)은 하나의
직선 내부 압전 다층 스택 구조를 가진 압전 하베스터 및 2개의 곡선
외부 압전 다층 스택 도형을 보여주고 있으며 그림(오른쪽)은 이들이
개발한 압전 하베스터 시제품이다.
- 주파수에 대한 민감성을 조정하여 발전효율 향상
일반적으로 압전발전은 압전발전기의 고유 진동수가 공진주파수와
일치할 때 최대가 되며 압전발전기의 고유 진동주파수가 공진
주파수에서 벗어날 때 급격하게 발전효율이 감소한다. 미국 MIT대학의
그림 24｜(a)다층 스텍 및 압전에너지수확기 구성도, (b)제 1압전에너지수확기 시작품 [34]
EnergyHarvestingCircuitry
COPMS
COPMS
Frame
Piezoelectric
FZ
FZ
SIPMS
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김상국 교수는 비교적 넓은 범위에서 공진주파수를 가질 수 있도록
PZT박막에 MEMS공정을 적용하여 소형 압전발전기를 제작하였다.
입력되는 기계 에너지 크기는 정확하게 나타나있지 않지만 주파수
조정을 통해서 기존 PZT MEMS형 발전기보다 100배 이상의 파워를
생산하였다.
- 빗방울을 이용한 발전
압전 재료의 잠재적 이용 중 하나는 빗방울의 기계 에너지를
전기로 변환하는 것으로 센서 및 포터블 전기장치와 같은 저전력
응용에 사용할 수 있다. 프랑스 연구자들은 PVDF를 이용하여 빗물의
낙하에너지를 전기에너지로 변환시키는 연구를 수행하였으며, 1
~ 5mm 크기의 빗물은 전기에너지를 생산할 수 있을 것이라고
발표하였다. 계산결과에 따르면 폭우가 쏟아지는 환경에서 12 ㎽정도의
에너지를 생산할 수 있다고 한다. 넓은 면적의 PDVF를 이용하여
해저나 강물아래에 설치하여 향후 이를 이용하여 배터리 교환이나
전력공급이 힘든 해저나 대양의 바다 위의 센서나 부표의 무한 동력
전원으로 사용이 가능할 것으로 예상된다.
그림 25｜프랑스연구자들에 의해 제작된 빗방울 에너지 수확 장치(2008) [35]
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- 사람들 걷는 운동을 활용한 에너지 하베스팅
볼튼 대학교와 미국에 기반을 둔 클린-기술 회사인 POWERleap사는
사람들이 밟고 다닐 수 있는 바닥판을 만들어 발전하는 것을
시연하였다. 이 기술의 핵심은 재료가 기계적인 스트레스를 받을 때
전압이 생성되는 자연적인 형상인 압전기(piezoelectricity)기술이다.
LED조명이나 무선 전자기기 같은 장치에 전원을 공급하기 위해 걷고
춤추는 것과 같은 운동 움직임에 내포된 에너지를 처리하기 위해
압전기기술을 사용한다. 이 제품은 소매체인점, 열차 정거장, 공항,
극장, 클럽 등 조명을 주는 곳에 사용가능하다. 압전발전기에 대한
구체적인 물질, 디자인에 관한 내용은 보고되어 있지 않으며 실제
상업화하여 판매하고 있는지에 관한 정보는 알 수 없는 상태이다.
POWERleap사는 이미 미국, 영국, 사우디아라비아에서 프로젝트를
파일럿시험 하였으며 작년에 개발한 제품을 아부다비에서 개최된
세계 미래 에너지 서밋(World Energy Summit)에 전시했다. 세계
시장조사회사 Frost & Sullivan사는 최근 클린-에너지 하베스팅
그림 26｜Powerleap에서 개발한 발전기 개념도 및 발전기를 이용한 발전 [36]
1. Battery
2. Light
3. Machinery
4. Signage
5. Sound
6. Displays
7. Doorways
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기술과 에너지 효율적인 조명기술을 산업화에 가까운 50대 기술로
선정한바 있다.
- 음파를 이용한 나노발전기
성균관대학교 김상우 교수팀은 ZnO나노와이를 GaN위에 성장하고
음파를 이용한 발전을 보고하였다. 약 100 dB의 소리를 가했을 때
약 50 mV의 교류가 발생하고, ZnO를 PdAu 금속과 접합함으로써
쇼트키(Schottky) 접촉을 한다고 보고하였다.
- 풍력을 이용한 압전발전 나무
나무의 잎처럼 압전발전기를 부착하여 발전하는 개념을 제시하였다.
바람의 흐름에서도 움직일 수 있도록 유연한 PVDF를 이용하여
발전기를 제작하였으며 공기역학을 고려하여 다양한 모양의
압전발전기를 제작하였다. 프로세서 결과 약 2cm의 실린더에서 4.5
m/s의 바람이 불 때 100 pW의 파워가 측정되었다.
그림 27｜산화 아연 나노 와이어와 발전 성능에 따라 소리 주도 압전 나노 발전기의 개략도 [37]
200
150
100
50
0
-50
-100
-1500 20 40 60 80
Time(ms)
Cell 1Cell 2Cell 1 + Cell 2
Volta
ge(m
V)
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- 도로 교통을 이용한 압전 발전
이스라엘 하베스팅 업체인 Inowattech는 도로에 압전발전기를
설치하여 자동차로부터 에너지를 수확한다. 1km 도로에서 시간당 최대
200kw/h를 발전하였고 철도에 설치 시 1km 철길에서 최대 시간당
120kw/h의 발전량을 보였다. 일본에서도 사람이나 차 등이 통과할 때
발생하는 진동에너지를 이용하여 마루 내부에 매입된 압전 변환 소자에
의해 발전을 하는 「발전마루」을 개발하였다. 이렇게 수집하고 저장된
전기를 이용하여 교통신호등이나 거리의 가로등, 그리드로 전달되어
전력을 사용할 수 있게 된다.
그림 28｜딕슨이 스케치한 “압전 트리”발전기 [38]
그림 29｜Inowattech서 개발한 압전발전기의 실험 예시 [39]
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- 에너지블록, 압전배틀, 압전신용카드
국내기업인 센불(주)는 압전발전원리를 이용한 상업화에 많은 노력을
하고 있으며 에너지블록, 압전배틀, 불빛이 나오는 신용카드 등을
제조하고 있다. 또한 자사 홈페이지에 압전발전관련 응용제품에 관한
많은 정보를 제공하고 있다.
신용카드에 압전발전기를 삽입한 후 LED와 연결시켰다. 신용카드를
약간 구부릴 경우 LED에 불이 들어와 신용카드를 쉽게 선택할 수 있다.
그림 30｜(주)센불에서 상용화한 압전 블록 및 신용카드 [40]
그림 31｜(주)센불에서 개발/설치한 압전베틀 [41]
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사람들이 압전발판에 올라가서 누를 경우 생산되는 에너지가
수치적으로 표시된다.
- 압전발전기용 세라믹-폴리머 컴포지트
Smart materials회사에는 압전발전용으로 사용할 수 있는
세라믹-폴리머 컴포지트 및 컴포지트를 다른 기판에 부착하여
제작한 캔틸레저를 판매하고 있다. 세라믹-폴리머 컴포지트는 매우
유연하여 작은 크기의 진동에서도 쉽게 변형되어 발전할 수 있다.
반면 컴포지트를 탄성이 우수한 기판에 부착하여 제작한 캔틸레버는
주기적인 진동환경에 쉽게 적용될 수 있을 것으로 판단된다.
- 배터리 없는 리모콘
프랑스 Arveni사는 압전현상을 이용하여 배터리 없는 리모콘을
개발하였다. 리모콘 버튼을 누르거나 들고다닐때 생기는 에너지,
기차가 지나가면서 발생하는 압력 및 진동에 의한 에너지를
전기에너지로 전환함으로써 충전 및 배터리가 필요없는 리모컨의
그림 32｜Smart materials에서 제작한 압전발전용 장치 [20]
세라믹-폴리머 컴포지트
압전발전기용 전기회로
세라믹-폴리머 컴포지트를 탄성체에 부착하여
제작한 캔틸레버
압전발전기를 장착하여
사용할 무선송신기
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상용화가 가능할 것으로 보인다. 또한 기차 철로에도 압전발전을
적용한 사진을 홈페이지에 게시하고 있으며 압전발전기를 센서모듈에
적용하려는 노력을 하고 있다.
이렇게 구동되는 전자부품의 소비전력에 따라 분류된 상용화
예정인 제품 이외에도 다양한 압전에너지 하베스팅을 응용한 연구가
이루어지고 있다.
그림 33｜Arveni사에서 개발후 상용화 예정인 압전현상 이용 장치 [41]
Arveni사의 압전 발전기 (120g, 40 x 145 x 40 mm3)
펄스형태의 발전기로 한번 누르면 2mJ 에너지를 생산가능함
철로에 적용한 사진 배터리가 없는 적외선 리모콘
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상용화가 가능할 것으로 보인다. 또한 기차 철로에도 압전발전을
적용한 사진을 홈페이지에 게시하고 있으며 압전발전기를 센서모듈에
적용하려는 노력을 하고 있다.
이렇게 구동되는 전자부품의 소비전력에 따라 분류된 상용화
예정인 제품 이외에도 다양한 압전에너지 하베스팅을 응용한 연구가
이루어지고 있다.
다른 발전과 융합한 하이브리드 발전장치
- 태양전지 + 압전발전기
성균관대학교에서 연구한 내용으로 Si Nanopillar 태양전지와
PVDF압전체를 하이브리드한 발전기로 태양전지와 진동에너지를
동시에 활용한 발전기 구조이다.
- 압전발전기 + 수소생산
미국 위스콘신 대학의 Xu교수는 압전재료인 ZnO 또는 BaTiO3를
나노크기의 나뭇가지처럼 성장시킨 후 초음파를 가했다. 표면에
양이온과 음이온이 분리되어 생성되었으며 생성된 이온을 이용하여
수소를 분해하는 연구를 수행하였다.
그림 34｜PVDF압전체와 태양전지를 기반으로한 하이브리드 에너지 수확기 [42]
그림 35｜ 위스콘신 대학교에서 개발한 압전전기(piezoelectrochemical_ 속성을 가진 트리 모양의 마이크로
덴드라이트 [43]
(a) (b) Top electrode(ITO/PES)
PVDF nanogenerator
Si NP solar cells
Bottom electrode
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- Flexible 발전기
한국 KAIST 재료공학과 연구팀은 압전 세라믹 나노입자들을
이용한 저비용, 대면적 나노발전 기술을 개발했다. 이 연구팀은
polydimethylsiloxane (PDMS) 폴리머에 압전특성을 보이는 BaTiO3
분말과 CNT를 혼합하여 유연한 압전 발전기를 제작하였다. 이 결과는
Advanced Materials에 “Flexible Nanocomposite Generator Made
of BatTiO3 Nanoparticles and Graphite Carbons”라는 제목으로
게재되었다.
미국 프린스톤대학에서는 PZT막을 단단한 MgO기판에 성장한
후, 미리 잡아당긴 PDMS 폴리머위에 전사하였다. 잡아당겨진
PDMS폴리머가 원상태로 수축되면서 PZT 리본이 울퉁불퉁한 형태로
그림 36｜신축 압전 PZT리본 [44]
그림 37｜ 휘어지고/웨이브가 있는(buckled/wavy) 압전 PZT리본, (a)기술원리 개략도(b)PZT리본의 SEM이미지
(c)PZT리본의 주어진 조건하의 자발적으로 휘어진 사진 [45]
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된다. 울퉁불퉁한 PZT리본에 힘을 가할 경우, 직선으로 된 PZT에 비해
큰 변형을 일어나며 높은 출력을 얻을 수 있다.
- 유연압전발전기
국내 삼성전자와 성균관대학교의 공동연구팀은 ZnO 나노선을
기반으로 하는 투명 유연 나노전력발전소자로 그래핀(Graphene)
박막이 상하의 전극을 이루는 압전 발전 소자를 발표하였다. 이러한
투명 유연 나노전력발전소자는 자체충전이 가능한 터치스크린
디스플레이어나 작은 바람에 의해서도 충전이 되는 나노소자와 같이
새로운 형식의 에너지 하베스팅 기술 등에 폭넓게 응용될 수 있다.
압전발전기 효율 증대를 위한 새로운 재료 개발
- 그래핀의 압전특성을 이용한 나노 발전기
그림 38｜ 그래핀 시트 사이에 끼워진 압전 산화 아연 나노로드를 기반으로 완전히 감는 것이 가능한 투명
나노발전기의 설계도 [42]
그림 39｜구부림이나 압박, 뒤틀림시 전기를 생산하는 그래핀 격자에 부착된 리튬원자(적색) [46]
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미국 스탠포드대학에서는 그래핀을 잘 조절할 경우 압전특성을 얻을
수 있다는 결과를 발표하였다. 압전 그래핀은 터치 스크린에서 나노
스케일 트랜지스터에 이르기까지 다양한 응용프로그램에 대한 전기,
광학, 기계적 컨트롤의 비교할 수 없는 수준을 제공할 수 있다. 버클리
국립연구소의 NERSC와 육군 고성능 컴퓨팅 연구센터에서 스탠포드
대학의 그래핀을 이용한 압전기술을 지원하고 있다.
- PMN-PT단결정을 이용한 MEMS발전기
압전발전기를 소형으로 제작하기 위해서는 기계적인 에너지를
효과적으로 전기에너지로 변환할 수 있는 재료가 필요하다. 대부분의
MEMS는 기판으로 반도체 전자기술의 표준 물질인 실리콘을 사용한다.
압전 박막을 크기가 마이크로미터에서 수밀리미터인 실리콘 기반
MEMS 디바이스에 통합하면 진동이나 운동 에너지를 수확할 수
있는 능동 소자를 제작할 수 있다. 최근 미국 위스콘신 주립 대학의
연구팀은 Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3 막을 실리콘위에 증착한
후 MEMS공정을 이용하여 압전발전기를 제작하였다. 위의 그림
40에 에너지 하베스팅에 쓰이는 다른 물질들과 비교하였다. 그
결과 PMN-PT막을 이용한 발전기는 기존의 PZT에 비해 매우 높은
그림 40｜ 마이크로 머신 액츄에이터와 에너지 하베스팅 장치에 대해 보고된 다른값을 가지는 압전PMN-PT 필림의
성능지수 비교 [47]
30
25
20
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5
0
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0.3
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31.f(C/m
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발전특성이 나타났다. PZT에 비해 조성을 정확하게 제어하기 어려운
단점은 있지만 특성이 우수한 단결정재료로 제작한 에너지 하베스팅
디바이스는 교각, 항공 및 인체센서를 위한 무선 센서 노드를 위한
휴대용 출력 소스로 사용될 수 있다.
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동향과 시장의 전망은?
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압전에너지 하베스팅의 산업 동향
지구 에너지문제를 해결하기 위하여 에너지하베스팅에 관한 연구는
지속적으로 확대될 것으로 판단된다.
IDTechEx에 의하면 압전발전은 2018년까지 1억4천 500만 달러,
2022년까지 6억 6천 700만 달러의 시장이 형성될 것으로 전망하였다.
현재 압전발전기는 주로 라이터 등을 포함하여 1억개 정도의 장치에
적용되고 있지만 2022년에는 보다 다양한 분야에 응용되어 3억개
이상의 장치에 응용될 것으로 전망된다.
압전에너지 하베스팅 산업의
동향과 시장의 전망은?
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국내의 경우 압전발전의 비즈니스 모델로 일본을 꼽을 수 있다.
일본의 경우 압전 발전을 이용한 제품으로 앞서 기술한 「발전마루」
도입 사례가 가장 많다. 현재 상태로는 얻을 수 있는 전력이 작기
때문에 발전 설비라기보다는 에너지 절약 설비로써의 의미가 강하다.
또한 매우 고비용이지만 당분간은 환경 배려형 건물이나 설비에
도입되는 경우가 많을 것으로 예상된다.
표 4｜압전 발전의 일본내 시장 규모 추이
(단위 : 백만엔)
2009년 2010년(예측)2011년
(예측)
2012년
(예측)
2013년
(예측)
금액 80 130 870 1,620 4,270
출처 : 야노 경제 연구소 추계
그림 41｜국내 에너지하베스팅 연구기관 및 상용화 기업의 현황 [7]
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압전 발전의 실용화는 앞서 응용사례에서 소개한 리모컨과 같이 미소
전력으로 가동 가능한 소형 전자기기에 응용되어 압전 발전의 특성을
살린 제품 개발이 가능하다.
압전에너지 하베스팅은 그림 42와 같이 시설물, 도로교통,
USN(Ubiquitous Sensor Network, u-sensor network/유비쿼터스
센서 네트워크)등의 다양한 분야에서 소형센서, 소형 전자기기로부터
자동차의 보조동력원에 이르기까지 전자, 자동차, 에너지 산업 등에
다양하게 활용될 것으로 기대된다.
그림 42｜압전 발전 시장의 활용 분야[7]
•비상안내 유도등•지능형 빌딩 관리 시스템•배관진동을 활용한 지능형 유량계•지능형 근린생활 시설 관리
•ITS 용 도로환경 모니터링•BIS 시스템•u-Health 분야
•철도 신호등•고속도로 톨-게이트•가로등 관리
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압전에너지 하베스팅의 시장전망
출처 : IRAP(Innovative Resreach and Products.Inc). 2008
출처 : 2010 ~ 2011 IDTechEX (www.IDTechEX.com)
그림 44｜에너지 하베스팅 분야별 시장규모 추이 및 전망
그림 43｜압전 발전기의 타입별 세계 시장 규모
8,000
7,000
6,000
5,000
4,000
3,000
2,000
1,000
0
금액
(단
위 : 100만
달러
)
2007
트랜스듀서, 센서, 가속도계,
압전 트랜스포머, Langevin
액추에이터, 압전 프린팅 헤드,
디젤 연료분사장치 등
다층 바이모프 액추에이터,
압전 발전기
군사 및 일반 사용 목적의
수중음파 탐지기
2012
공진기, 음향 디바이스,
가스 점화장치, 초음파 모터,
디지털 카메라 자동 초점 조절을
위한 액추에이터
40억 $
70억 $
900
800
700
600
500
400
300
200
100
0
Milita
ry&A
erospa
ce
Cons
umer Elec
tronic
s
mesh WSN
Industria
l
Laptop
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Vehic
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Mob
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Bicy
cle Dya
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hes
2011
2012
26 1.29
230
40.8 61 60
385
8432.75
81
600
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(millions $)
840
700
650
500
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그림 43~그림45에서 보는 바와 같이 압전 발전기의 세계시장 규모
및 성장 기대치나 압전발전과 타 발전과의 경제성, 효율성 등 비교를
보면 향후 압전 발전의 시장전망은 밝을 것으로 기대된다. 하지만 압전
발전 실용화에는 비용 삭감과 고효율화가 필요하고, 열전 소자같이
발전 효율 향상을 위해 이용하는 소재에는 희귀 원소 및 유해 물질인
납(Pb)이 이용된다. 실용화·상용화를 위해서는 이러한 재료를
사용하지 않는 재료 개발이 필요하다. 압전 발전의 일반적인 비용을
구체적으로 계산한 예는 없으며 현재 상태로서는 매우 고비용이며
실용화를 위해서는 저비용화, 발전 효율 향상 등이 필요하다. 유해물질
대체로 PZT에 필적하는 압전 성능을 갖는 재료는 현재 발견되지
않았기 때문에 압전 재료로써 PZT의 규제는 아직 제외되고 있지만
비납계 압전 재료의 개발 필요성이 높아지고 있다.
그림 45｜압전 발전과 타 발전방식과의 비교 [7-12]
풍력 태양광 지열 수력 화력 압전
설치비용 회수기간(년) 12~30 20~30 10~20 12~15 15~20 6~12
지속성 × × ∨ ∨ ∨ ∨
청정도 ∨ ∨ ∨ ∨ × ∨
기술 성숙도 ∨ ∨ ∨ ∨ ∨ ×
설치변경 용이도 × × × × ∨ ∨
도심지 설치 가능 여부 × ∨ × × × ∨
투자비용 비교 생산비용 비교
Inve
stm
ent Cost
[백
만원
/kW
h]
풍력 태양열 태양광 지열 압전
14
12
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8
6
4
2
0
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18
16
14
12
10
8
6
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2
0
풍력 태양 수력 지열 압전Opera
tion C
ost
[ce
nt/kW
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압전에너지 하베스터로
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향후 기대되는 압전에너지 하베스터의 미래
압전에너지 하베스팅은 유비쿼터스 센서 등의 소형동력원에서부터
도로, 철로, 활주로 등 각종 교통수단을 통해 발생하는 미활용 에너지의
매크로 하베스팅 및 음파, 심장박동, 혈압 등 각종 인체활동의 미세한
진동을 이용한 나노 하베스팅에 이르기까지 전자산업에서 자동차,
에너지 산업, 의료산업, 도시환경 산업 등에 다양하게 활용될 것으로
기대되며 그 응용가능성은 무한한 아이디어의 창출에 의해서 실현될 수
있을 것으로 생각된다.
압전에너지 하베스터로
펼쳐질 미래는?
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전망세계적으로 압전발전에 대한 기초연구는 상당히 많이 이루어져 있다.
그러나 실제 기기로 응용되기 위해서는 각각의 상황에 맞는 구조로
변경되어야 한다. 예를들어 강한 힘이 가해지고 작은 움직임이 있는
환경에서는 딱딱한 재료를 이용한 발전이 유리하며 가해지는 힘이
작은 환경에서는 작은 힘에서도 변형이 일어 날 수 있는 나노구조,
그림 46｜USN용 자가발전형 에너지 하베스터 [7]
그림 47｜체내삽입 또는 착용형 자가발전 에너지 하베스터 [11]
1. 기술적으로 WSN (Wireless Sensor Network)응용을 위해서 자가발전형 에너지하베스팅 기술이 절실 함
2. 온도, 습도, 진동 센서등을 이용한 재해상황, 환경감시, 의료, 구조물안전진단, 비상전원 활용
3. 현재 WSN의 90%는 에너지하베스팅의 실현없이는 구현이 불가능함
•어느 곳(사물)에나 부착된 태크와 센서로부터
•사물, 환경 및 기상 정보를 감지, 저장, 가공하여
•인터넷, 통신을 통하여 전달, 인간생활에 폭넓게 활용
Ubiquitous
Sensor
Network
Fire Control
RFID Hospital
Agricultural Control
Pollution Control
energy from the environment
state : temperature, pressure, etc.
Home Utility ControlStructural Health Monitoring
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유연발전기가 유리할 것이다. 즉, 압전 하베스터가 적용될 수 있는
사용환경에 대한 분석이 우선적으로 되어야 하며 여기에 부합되는
압전발전기가 설계되어야 한다. 예를 들면 진공펌프와 같이 주기적으로
진동하는 환경에서는 캔틸레버형 발전기구조가 사람들이 걸어다니는
도로 또는 계단에서는 보도블럭 형태의 구조로 최적화되어야 할
것이다. 또한 LED와 결합한 비상용 블록, 운동기구와 결합한 발전 등
기존에 존재하는 기술과 융합함으로써 새로운 응용을 개척할 수 있을
것으로 판단된다. 이 밖에도 생체 친화적인 재료를 이용하여 소형으로
제작할 경우 사람 인체내부에 삽입하여 심장박동 자극기 등의 보조
동력원, 조류의 이동경로를 파악할 수 있는 센서의 동력원 등으로도 그
적용범위를 넓힐 수 있을 것으로 판단된다. 유연한 압전발전기는 의류
분야와 결합하여 웨어러블 컴퓨터 등의 보조 동력원으로도 활용될 수
있을 것이다.
그러나 이러한 많은 응용 가능성을 현실화하기 위해서는 학계,
연구계, 그리고 산업계가 서로의 역할을 분담하여 각 기술을
전문화해야 할 것이다. 학계 및 연구계는 고효율 압전 소재기술,
고효율 압전 하베스터 구조 설계 및 회로설계기술의 융합연구를 통한
효율향상에 노력하고, 산업계는 실제 적용분야에 대한 탐색 및 탐색된
분야에 대한 과감한 투자전략이 필요하다.
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이용한 에너지 하베스팅 시스템”, 울산산업기술연구소, 2011
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