한국생산기술연구원(원장 이상목)이 송전선의 자기장을 전력화하는 에너지하베스팅 기술을 개발했다. 초소형 드론의 자가전원에 활용할 수 있을 전망이다.
생기원은 윤승하 에너지나노그룹 수석연구원팀이 송전선 주변에서 발생하는 원형 자기장을 효과적으로 수집할 수 있는 새로운 에너지하베스팅 방식을 구현했다고 9일 밝혔다.
기술 개발 핵심은 중앙 고정, 양측 자석 기반 대칭 진동 구조를 적용한 것이다. 자기장 기반 에너지하베스팅은 자기장 세기·방향이 변할 때 '피에조(기계적 변형시 전기가 만들어지는 소재)'에 연결된 자석에 작용하는 힘이 달라지고, 그 힘으로 전기가 생성되는 방식이다.
피에조는 크게 반복해 휘어질수록 전기 생성량이 커지고 출력도 유지돼 공진 상태에서 충분한 변형이 일어나도록 만드는 것이 중요하다.
자기장 에너지하베스팅 방식은 이 때문에 피에조 한쪽을 고정한 채 다른 한쪽에 자석을 배치해 외부 자기장에 의해 움직일 수 있도록 설계된다.
연구팀은 이런 기본 구조에서 더 나아가, 송전선 주변에서 형성되는 원형 형태 교류 자기장이 자석을 지속적으로 밀고 당긴다는 점에 착안, 피에조가 공진 상태를 유지하며 크게 휘어질 수 있는 대칭 진동 구조 모듈을 개발했다.
피에조를 중앙에 고정하고 양쪽에 서로 반대 극성을 갖는 영구자석을 배치, 송전선 주변 자기장의 방향이 바뀔 때마다 양측 자석이 같은 방향으로 움직이도록 설계된 에너지하베스팅 모듈이다.
이런 구조에서는 하나의 자석과 피에조를 이용하는 기존 방식 대비 2배 많은 전기를 생산할 수 있다. 아울러 자석 주변에 자기장을 모아주는 장치(MFC)를 배치해 약한 자기장에서도 자석에 전달되는 힘을 높여 피에조 단위 면적당 전력 변환 효율을 20% 이상 향상시키는 성과도 거뒀다.
연구팀은 구조 검증을 위해 '헬름홀츠 코일'을 활용, 송전선 주변과 유사한 조건인 10가우스 이하 자기장 환경을 구현했다.
실험 결과 개발된 하베스터는 송전선 주변 5.4가우스 수준 약한 자기장에서도 25.2㎽/㎤ 수준 전력 확보가 가능한 것으로 나타났다.
윤승하 수석은 “송전선 주변에서 발생하는 미약한 자기장도 전력으로 전환할 수 있는 기술”이라며, “향후 송전설비 주변 IoT 센서나 초소형 드론처럼 외부 환경에서 충전이 어려운 장치에 적용해 상시 운용가능한 자가 전원기술로 발전시킬 계획”이라고 밝혔다.
이번 성과는 센서·액추에이터 분야 국제학술지 'Sensors and Actuators A: Physical'에 게재됐다.
김영준 기자 kyj85@etnews.com
