주행 차량에서 전력을 수확하다, “압전 발전 도로 시스템”

주행 차량에서 전력을 수확하다, “압전 발전 도로 시스템”

15기 나혜인

 

[ 자료1.압전 발전장치의 도로 적용 개념도 ]

출처 : 중소기업뉴스(http://news.kbiz.or.kr)

에너지 하베스팅 기술에 있어서 압전 소자를 이용한 방법은 지난 수 십 년간 많은 연구가 활발히 진행되어왔다. 압전 에너지 하베스팅은 다른 발전 방법보다 에너지 밀도가 높으며 기후와 관계없이 단순한 진동을 에너지원으로 사용하여 지속해서 전기 에너지로 변환할 수 있다는 장점이 있기 때문이다. 특히, 이러한 장점을 지닌 압전 발전장치의 활용 가능성이 가장 높은 장소는 ‘도로’다. 수많은 차량이 지나가는 도로는 차량의 움직임으로 압력과 진동 등이 발생하는 곳이기 때문이다. 때문에 지금부터 압전 에너지 하베스팅을 도로와 접목해 하나의 새로운 발전장치인 “압전 발전 도로 시스템”에 대해 소개하려 한다.

우선, 압전발전장치란 어떤 것이며, 어떻게 전기에너지를 생산해 낼 수 있는지에 대해 알아보자.

1. 압전발전장치

압전발전은 외부에서 주어진 압력, 즉 기계적 에너지를 전기에너지로 변환하는 기술을 사용하는 발전 방법이며, 이 방법을 사용하기 위해서는 ‘압전소자‘에 대한 이해가 선행되어야 한다.

가. 압전효과의 개념 및 발전 원리

1) 압전효과의 정의

[  자료2. 압전효과의 정의 ]

출처: 양단 지지형 빔을 이용한 고효율 에너지하베스터에 관한 연구

'압전효과'란 일정한 방향에서 압력 또는 장력을 가하면 그 외력에 비례하여 결정 표면에 전압이 발생하는 것을 말한다. 또한 압전효과를 정압전효과와 역압전효과로 나누어 볼 수 있는데, 먼저 정압전효과는 기계적인 힘으로 전압을 발생시키는 것으로, 압전 소자에 진동, 압력 등을 주면 그 출력 부분에서 전기 신호가 발생하는 현상을 말하며, 역압전효과는 압전 소자의 외부에서 전압을 걸어주면 소자가 기계적 변형을 일으키는 현상을 말한다.

2) 압전소자의 형태와 발전방법

압전효과를 만들어내는 것에 있어서는 ‘압전소자의 형태’에 주목해야 한다.

압전소자들은 결정이라는 형태를 이루고 있다. 즉, 원자나 분자들이 규칙적으로 배열하여서 균일한 형태의 모양을 이루고 있는 것이다. 이렇게 결정을 이루는 물질들은 전기적으로 중성을 나타내고 있는데, 자세히 보게 되면 양전하를 가지고 있는 입자와 음전하를 가지고 있는 입자가 규칙적으로 배열되면서 전체적으로 중성을 가지게 된다. 그러나 자연계에는 이렇게 전기적으로 중성이 아닌 결정들도 있는데 이들이 바로 ‘압전소자’가 되는 물질들이다. 세부적으로 다른 결정들처럼 규칙적인 것은 똑같지만 전체적으로 보게 되면 결정 내에 양전하를 가지는 입자의 위치와 음전하를 가지고 있는 입자 위치가 어긋나서 마치 건전지처럼 한쪽이 플러스 한쪽 마이너스 형태가 되게 된다. 이때 압력을 가해주게 되면 결정을 이루고 있는 입자들의 위치가 바뀌면서 전기에너지를 발생시킬 수 있는 것이다.

[자료3. 압전물질의 발전 원리 ]

출처 :양단 지지형 빔을 이용한 고효율 에너지하베스터에 관한 연구

위 그림은 압전체에 부하가 걸리지 않은 상태를 나타낸 것이다. 외부에서 응력이나 압력을 가하면 압전 재료 내의 분자가 전기장 방향으로 쌍극자를 형성하게 되고 압축력을 받으면 (b)와 같이 분극 방향과 같은 방향으로 분극 전압이 발생하고 반대로 인장력을 받으면 (c)와 같이 분극 방향과 반대 방향으로 분극 전압이 발생하게 된다.

 

나. 기존 발전 시스템과 압전 발전의 차이점

근본적으로 태양 발전 그리고 풍력 발전은 초기 설비에 많은 비용과 대규모 설비를 갖추어야지만 발전이 이루어진다는 단점이 있다. 반면에 압전 발전은 기기가 설치되거나 놓이는 공간에서 주위의 기계적인 진동 에너지로부터 자가발전하고, 반영구적인 충전 특성을 갖는다.

[자료4. 압전 발전의 장점 ]

출처: 양단 지지형 빔을 이용한 고효율 에너지 하베스터에 관한 연구

 

2. 도로와 압전 발전을 접목한 결과물, “압전 발전 도로시스템”

 

가. 압전 발전 도로시스템의 발전방법

압전 발전 도로 시스템은 압전 소자를 누르고 통과하는 자동차의 물리적인 변화로부터 전력을 생산하는 것이다. 이 장치는 교통량에 따라 발생하는 에너지를 저장할 수 있는 전자카드를 탑재하여 도로 표면 사이에 삽입한 것인데, 이 시스템은 일반적으로 아스팔트층으로 덮여 있지만, 콘크리트와 복합 콘크리트 및 아스팔트에서도 적용이 가능하다.

 

나. 압전 발전 도로시스템의 국내 연구개발 현황

차량이 도로를 주행하면 노면에는 진동이나 변형, 마찰이 생긴다. 이때 도로에는 에너지가 발생하지만 붙잡아두기 힘들어 '버리는 에너지'에 불과했다. 그간 이 에너지를 재활용하려는 '에너지 하베스팅(수확)' 연구는 세계적으로 활발한 추세였지만 도로 위에 까는 장치의 발전 효율이 높지 않아 상용화가 힘들었다.

그러나, 2018년도 국내 연구진이 기존 압전 발전장치에 비해 출력이 5배 이상 높을 뿐 아니라 고분자량 화합물인 폴리머 기반으로 내구성까지 뛰어난 소재를 만들어 냈다. 기존 압전 소재로 사용되던 납 대신 폴리머 소재인 이소불화비닐을 이용했다. 납 계열 세라믹은 발전 효율이 높지만 인체와 환경에 해로운 영향을 미칠 수 있기 때문이다. 또한 폴리머 기반 압전 발전장치는 환경오염 물질 배출이 없는 대신 발전 효율이 낮아 상용화가 어려웠지만 도로의 미세한 진동 같은 작은 변위로도 압전 소재가 많이 변형될 수 있도록 장치를 개발함으로써 문제점을 개선했다.

새롭게 개발된 압전 발전장치의 최대 전력량은 30 × 30 ㎠크기 기준 620.2mW로, 같은 크기의 납 소재로 만든 장치와 비교해 출력이 약 5.3배 높다. 연구팀은 압전 발전장치를 시험 도로에 적용해 테스트한 결과 천만번 이상의 충격에도 전기 생산 효율이 떨어지지 않는 내구성을 확인하였으며, 위의 기술은 우리나라와 미국에 특허 출원 및 등록을 마친 상태다.

위의 기술이 상용화된다면 외부의 전력 공급 없이 '스스로' 에너지를 수급하는 무선 센서가 도로의 온도·습도·압력·변형 등을 측정할 수 있게 된다. 그 때문에 이번 도로용 압전 발전 장치 개발은 높은 내구성을 실현함으로써 압전 하베스팅 기술의 상용화를 앞당길 수 있다는 측면에서 의미가 크다. 도로뿐만이 아닌 다양한 환경에서 센서 네트워크의 자가발전을 위한 핵심적 역할을 수행할 수 있다고 생각된다.

 

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참고문헌

1) 박연수, "차량하중으로 전기만드는 압전발전장치?!",이웃집과학자,2018.03.13, http://www.astronomer.rocks/news/articleView.html?idxno=85259

2) 한화솔루션/케미칼 공식블로그, 누르면 전기를 만들어주는 압전소자!,2013.03.06 https://www.chemidream.com/427

3) 임춘호, "차량 무게로 도로에서 전기 생산하는 기술 개발",중소기업뉴스, 2020.01.02, http://news.kbiz.or.kr/news/articleView.html?idxno=62846

4) S. Roundy, "Energy scavenging for wireless sensor nodes with a focus on vibration to electricity conversion", Ph. D. Dissertation, Dept. of EECS,UC Berkeley, 2003.