국내 연구팀, 도로에서 전기 만드는 ‘압전 발전장치’ 개발

국내 연구팀, 도로에서 전기 만드는 ‘압전 발전장치’ 개발

한국과학기술연구원(KIST) 전자재료연구단 강종윤 박사팀

기존 장치 비해 출력 5배 이상 높고 

내구성까지 뛰어나

국제 학술지 ‘어플라이드 에너지(Applied Energy)' 최신호 게재

   국내 연구진이 도로를 달리는 차량 무게를 이용해 전기를 만드는 ‘압전 발전장치’를 개발했다. 기존 장치에 비해 출력이 5배 이상 높을 뿐 아니라 내구성까지 뛰어난 소재로 만들어 주목을 끈다.

KIST에서 개발한 폴리머 소재 기반 압전 발전장치. 실제 설치할 모듈로 만들어지기까지의 과정을 나타낸다. -KIST 제공

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한국과학기술연구원(KIST) 전자재료연구단 강종윤 박사팀은 고분자량 화합물인 폴리머 기반의 압전 발전장치를 개발했다고 9일 밝혔다. 압전 발전은 외부에서 주어진 압력, 즉 기계적 에너지를 전기에너지로 변환하는 기술이다.

압전 발전장치의 활용 가능성이 가장 높은 장소는 ‘도로’다. 수많은 차량이 지나가는 도로는 차량의 움직임으로 압력과 진동 등이 발생한다. 이렇게 버려지는 에너지로 전기를 생산해 저장하는 ‘에너지 하베스팅(Energy Harvesting)’ 기술은 신재생 에너지원으로 각광받고 있다.

강 박사팀은 기존 압전 소재로 사용되던 납 대신 폴리머 소재인 이소불화비닐을 이용했다. 납 계열 세라믹은 발전 효율이 높지만 인체와 환경에 해로운 영향을 미칠 수 있다. 또한 폴리머 기반 압전 발전장치는 환경오염 물질 배출이 없는 대신 발전 효율이 낮아 상용화가 어려웠다. 

강 박사팀은 도로의 미세한 진동 같은 작은 변위로도 압전 소재가 많이 변형될 수 있도록 장치를 개발했다. 실제 차량에 의해 발생하는 도로 변형을 모델링해 폴리머 소재와의 상관관계를 도식화한 데이터를 소재 개발에 활용한 결과다. 

새롭게 개발된 압전 발전장치의 최대 전력량은 30 × 30 cm2 크기 기준 620.2mW로, 같은 크기의 납 소재로 만든 장치와 비교해 출력이 약 5.3배 높다. 

연구팀은 압전 발전장치를 시험 도로에 적용해 테스트한 결과 천만 번 이상의 충격에도 전기 생산 효율이 떨어지지 않는 내구성을 확인했다. 관련 기술은 우리나라와 미국에 특허 출원 및 등록을 마친 상태다. 

공동 연구를 수행한 KIST 전자재료연구단 김상태 박사는 “이번 도로용 압전 발전 장치 개발은 높은 내구성을 실현함으로써 압전 하베스팅 기술의 상용화를 앞당길 수 있다는 측면에서 의미가 크다”고 말했다. 또한 강 박사는 “도로 뿐만이 아닌 다양한 환경에서 센서 네트워크의 자가 발전을 위한 핵심적 역할을 수행할 수 있을 것”이라고 말했다.

위 연구 결과는 에너지 분야 국제 학술지 ‘어플라이드 에너지(Applied Energy)' 최신호에 게재됐다.

이혜림 기자 pungnibi@donga.com 동아사이언스

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