지구온난화의 주범인 온실가스 감축을 위한 범인류적 노력이 이루어짐에 따라 신재생에너지 및 청정에너지 개발, 저탄소 관련 산업 활성화 등 친환경 정책이 수행되고 있다.
특히, 에너지 하베스팅(energy harvesting)은 온실가스 감축 뿐 아닌, 미래 에너지자원의 안정적 확보를 위한 신재생에너지원으로써 연구기관 및 기업, 대학교를 중심으로 원천 기술 확보를 위한 활발한 연구·개발이 진행 중이다.
여러 가지 에너지 하베스팅 기술 중 압전 에너지 하베스팅은 진동, 변형 등의 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 기술로서, 높은 에너지 변환효율 및 폭넓은 응용가능 분야로 현재 각광받고 있는 친환경적 에너지 수확 방법이다.
다양한 압전 에너지 하베스팅 응용분야 중 도로는 낮과 밤의 구분이 없이 차량으로 인한 진동 및 변형이 발생하는 곳으로, 기계적 에너지원으로서의 높은 활용가치와 더불어 현재 다양한 응용사례들이 보고되고 있다.
도로 위를 달리는 차량은 상당량의 에너지를 노면의 진동, 변형, 열에너지로 소비한다. 이러한 에너지는 차량 외부에서 소비되어 그동안은 버려지는 에너지로 취급되어 왔다.
이렇게 버려지는 에너지를 전기 에너지로 전환시켜 수확하는 에너지 하베스팅(Energy Harvesting) 기술은 현재 떠오르는 신재생 에너지원으로서, 전 세계적으로 활발한 연구가 이루어지고 있다. 최근 국내 연구진이 도로에서 전기를 생산할 수 있는 친환경적 소재를 이용한 고내구성의 압전 발전장치를 개발한 것이다.
한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 전자재료연구단 강종윤 박사(전자재료연구단장, 고려대학교 KU-KIST 융합대학원 교수) 박사팀은 도로 위를 지나가는 차량의 하중으로부터 전기를 생산하는 고내구성, 고출력의 고분자량 화합물인 폴리머 기반의 압전 발전장치를 개발했다고 밝혔다.
차량으로부터 발생하는 노면의 진동, 변형과 같은 에너지를 전기 에너지로 변환하기 위해서는 압전, 정전, 전자기 발전과 같은 기계적 에너지 하베스팅 방법이 필요하다. 그 중에서도 압전 발전은 높은 에너지변환 효율 특성으로 인해 에너지 하베스팅 분야에서 각광받고 있는 기술이지만, 주로 소량의 에너지를 생산하는 저전력 응용분야에만 부분적으로 활용되어 왔다.
특히, 높은 전기 생산을 위해서 압전 소재 제작에 주로 사용되었던 ‘납’은 환경오염 및 건강을 해치는 유해한 물질로 압전 발전 응용분야의 제한요소로 작용되어왔다.
KIST 강종윤 박사팀에서 개발한 압전 발전장치는 납을 포함하지 않는 유연 압전 폴리머 소재인 이소불화비닐(Poly Vinyldienfluoride, PVDF)를 사용하여 친환경 소재의 장치를 구현하고, 낮은 전기 생산 능력을 보이던 압전 폴리머 소재의 한계를 극복하여 대용량 발전을 실현하였으며, 납 계열 세라믹을 사용하는 외국의 발전장치보다 가격·성능·내구성 면에서 높은 경쟁력을 가진 혁신적인 제품이 될 것으로 기대된다.
연구진은 차량으로 인해 발생하는 도로의 변형을 모델링하여 유연 압전 소재와의 상관관계를 수학적으로 도식화하였으며, 노면의 미소 변위(micro displacement)로도 유연 압전 소재의 높은 변형을 유도할 수 있게 장치를 개발하였다.
개발된 압전 발전장치에서 측정된 최대 전력량은 620.2 mW(30 × 30 cm2 크기)으로, 기존 납 계열 세라믹을 기반으로 한 해외의 도로용 압전 발전장치와 비교하여 5.3 배 높은 출력을 보여 그 우수함을 입증하였다.
또한 중부내륙고속도로 여주 시험도로에 실제 적용되어 실제 도로 환경 속에서 성공적으로 테스트를 마쳤으며, 1천만 번 이상의 충격에도 전기 생산 저하가 발생하지 않는 우수한 내구성을 입증하였다. 연구진은 이번 기술을 고속도로 및 일반 국도 등에 효율적으로 적용되기 위한 솔루션을 제공하고, 한국∙미국에 특허 출원 및 등록하여 압전 발전의 상용화를 앞당겼다는 평가를 받고 있다.
공동연구를 수행한 KIST 김상태 박사는 “이번 도로용 압전 발전 장치의 개발은 높은 내구성을 실현함으로써 극히 드물었던 압전 하베스팅 기술의 상용화를 앞당길 수 있다는 측면에서 의미가 크다”고 밝혔으며, 본 연구를 주도한 KIST 강종윤 박사는 “축적된 노하우를 바탕으로 도로 뿐만이 아닌 다양한 환경에서 센서 네트워크의 자가 발전을 위한 핵심적 역할을 수행할 수 있을 것으로 기대한다.”고 덧붙였다.
한편 본 연구결과는 에너지 분야 국제 학술지인 ‘Applied Energy’(IF : 7.182, JCR 2.593%)의 최신호에 게재되었다. (논문명) Piezoelectric Polymer-based Roadway Energy Harvesting via Displacement Amplification Module.
