KRISS, 향상된 에너지 수확을 위해 미세 진동을 포착하고 증폭하는 메타물질 개발

한국표준과학연구원, 대전, 한국

KRISS가 개발한 메타물질. (이미지 :한국표준과학연구원)

한국표준과학연구원(KRISS)이 작은 영역의 미세 진동을 가두어 증폭시키는 메타물질을 개발했다. 이번 혁신을 통해 낭비되는 진동 에너지를 전기로 변환하는 에너지 하베스팅의 출력을 높이고 상용화를 가속화할 것으로 기대된다.

에너지 하베스팅(Energy Harvesting)이란 열, 빛, 진동 등의 형태로 낭비되는 에너지를 전기에너지로 변환하는 기술을 말한다. 태양광을 에너지원으로 활용하는 태양광 발전이 널리 활용되고 있지만, 출력이 일정하지 않고 특정 기상 조건에서는 전력을 생산할 수 없는 등의 한계가 있습니다.

반면, 유비쿼터스 진동을 에너지원으로 활용하면 주변 환경의 제약 없이 안정적인 발전이 가능하다. 진동 에너지 하베스팅이 24시간 상시 전원 공급이 필요한 사물인터넷(IoT) 센서와 혈압과 당도를 실시간으로 측정해야 하는 웨어러블 의료기기의 미래 전력원으로 계속 주목받는 이유다.

진동 에너지 수확을 방해하는 주요 문제는 전력 출력이 낮고 생산 비용이 높기 때문에 실제 적용에 적합하지 않다는 것입니다. 생산되는 전력의 양은 수확된 진동의 크기에 비례하지만 우리가 일상 생활에서 접하는 대부분의 진동은 아주 작습니다.

이 중요한 문제를 극복하려면 압전소자와 같은 수많은 변환 장치를 상대적으로 큰 진동에 노출되는 여러 위치에 설치해야 합니다.

KRISS가 개발한 메타물질은 미세 진동을 가두어 축적해 45배 이상 증폭시킨다. 이를 통해 활용되는 적은 수의 압전소자에 비해 대규모 전력을 생성할 수 있습니다. 연구팀은 개발한 메타물질을 진동 하베스팅에 적용해 기존 기술보다 단위 면적당 4배 이상 많은 전력을 생산하는 데 성공했다.

특히, 새로 개발된 메타물질은 어른 손바닥만한 얇고 평평한 구조를 갖고 있어 진동이 발생하는 모든 표면에 쉽게 부착할 수 있다. 부착 대상에 맞게 구조를 쉽게 수정할 수 있어 고층 건물이나 대형 교량 등의 손상 여부를 확인하는 진단 센서부터 개인의 건강 상태를 모니터링하는 소형 바이오센서까지 활용 범위가 다양하다.

KRISS 음향·초음파·진동측정그룹 이형진 책임연구원은 “이번 연구는 진동을 일시적으로 가두는 표면 메타물질을 이용해 진동을 축적하고 증폭시키는 데 세계 최초로 성공한 것”이라고 말했다.

비파괴측정그룹 민승홍 선임연구원도 “메타물질을 활용하면 기존 센서로는 측정하기 어려웠던 초미세 진동을 대폭 증폭시켜 차세대 고정밀·고감도 센서 개발이 가능하다”며 관심을 표명했다.

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