한국표준과학연구원, 미세 진동 포집·증폭 메타물질 개발로 에너지 하베스팅 효율 향상

한국표준과학연구원, 대전, 대한민국

KRISS가 개발한 메타물질. (이미지: 한국표준과학연구원)

한국표준과학연구원(KRISS)이 작은 영역에서 미세 진동을 포집하고 증폭하는 메타물질을 개발했다. 이 혁신은 진동 에너지를 전기로 변환하는 에너지 하베스팅의 전력 출력을 높이고 상용화를 가속화할 것으로 기대된다.

에너지 하베스팅은 열, 빛, 진동 형태의 낭비 에너지를 전기 에너지로 변환하는 기술이다. 에너지원으로 햇빛을 이용하는 태양광 발전이 일반적으로 사용되지만, 출력이 일정하지 않고 특정 기상 조건에서는 발전이 불가능한 한계가 있다.

반면 어디서나 존재하는 진동을 에너지원으로 활용하면 주변 환경 제약 없이 안정적인 발전이 가능하다. 이 때문에 진동 에너지 하베스팅은 지속적인 24/7 전원 공급이 필요한 사물인터넷(IoT) 센서와 실시간 혈압·혈당 측정이 필요한 착용형 의료 기기의 미래 전원으로 지속적으로 주목받고 있다.

진동 에너지 하베스팅을 방해하는 주요 문제는 출력이 낮고 생산 비용이 높아 실제 적용에 부적합하다는 점이다. 생산 전력량은 수확 진동 크기에 비례하지만, 일상에서 마주치는 진동은 대부분 미세하다.

이 중요한 문제를 극복하기 위해 상대적으로 큰 진동에 노출된 여러 위치에 압전 소자 같은 수많은 변환 소자를 설치해야 한다.

KRISS가 개발한 메타물질은 내부에 미세 진동을 포집·축적하고 45배 이상 증폭한다. 이는 이용되는 압전 소자 수에 비해 대규모 전기 전력 생성을 가능하게 한다. 개발된 메타물질을 적용한 진동 하베스팅으로 연구팀은 기존 기술보다 단위 면적당 4배 이상 전기를 생성하는 데 성공했다.

특히 새로 개발된 메타물질은 성인 손바닥 크기의 얇고 평평한 구조로, 진동이 발생하는 모든 표면에 쉽게 부착할 수 있다. 구조가 부착될 물체에 맞게 쉽게 수정 가능하여, 고층 빌레나 대형 교량 손상 진단 센서부터 개인 건강 상태 모니터링용 소형 바이오센서까지 응용 범위가 다양하다.

"이 연구는 진동을 일시적으로 가두는 표면 메타물질을 사용하여 진동을 성공적으로 축적하고 증폭한 세계 최초 사례입니다."라고 KRISS 음향·초음파·진동 측정 그룹 선임연구원 Lee Hyung Jin은 말했다.

비파괴 측정 그룹 선임연구원 Seung Hong Min도 "메타물질은 기존 센서로 측정하기 어려웠던 초미세 진동을 크게 증폭하여 차세대 고정밀·고감도 센서 개발에 활용될 수 있습니다."라고 관심을 표했다.

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