한국과학기술연구원(KIST) 전자재료연구단 강종윤 박사팀은 도로 위를 지나가는 차량의 하중으로부터 전기를 생산하는 고내구성·고출력 고분자량 화합물인 폴리머 기반의 압전 발전장치를 개발했다고 9일 밝혔다.
도로 위를 달리는 차량은 상당량의 에너지를 노면의 진동과 변형, 열에너지 등으로 소비한다. 그동안 이런 에너지는 차량 외부에서 소비돼 버려지는 에너지로 취급돼왔으나, 최근 이를 전기 에너지로 전환해 수확하는 '에너지 하베스팅' 기술 연구가 활발히 이뤄지고 있다.
압전 발전은 높은 에너지 변환 효율 특성으로 인해 에너지 하베스팅 분야에서 주목받는 분야로 꼽히지만, 그동안 주로 소량의 에너지를 생산하는 저전력 응용분야에만 부분적으로 활용돼왔다. 특히 높은 전기 생산을 위해 압전 소재 제작에 주로 사용되는 납은 환경오염을 일으키고 건강을 해치는 유해한 물질로 압전 발전 응용분야의 제한요소로 작용해왔다.
연구팀이 개발한 압전 발전장치는 납을 포함하지 않는 유연 압전 폴리머 소재인 '이소불화비닐'(PVDF)을 사용해 친환경 소재 장치를 구현했다. 또 낮은 전기 생산 능력을 보이던 압전 폴리머 소재의 한계를 극복해 대용량 발전을 실현했다.
이번에 개발한 압전 발전장치에서 측정된 최대 전력량은 620.2㎽(30*30㎠ 크기)로, 기존 납 계열 세라믹을 기반으로 한 도로용 압전 발전장치와 비교해 5.3 배 높은 출력을 기록했다. 또 중부내륙고속도로 여주 시험도로에 실제 적용해 테스트를 마쳤으며, 1000만 번 이상 충격에도 전기 생산 성능이 떨어지지 않아 우수한 내구성을 가진 것으로 확인됐다.
연구진은 이번 기술을 고속도로와 일반 국도 등에 적용하기 위해 솔루션을 개발하고 한국과 미국에 특허출원과 등록을 추진해 상용화에 나설 계획이다.
강종윤 KIST 박사는 "축적된 노하우를 바탕으로 도로 뿐만이 아닌 다양한 환경에서 센서 네트워크의 자가 발전을 위한 핵심적 역할을 수행할 수 있을 것으로 기대한다"고 말했다.
이번 연구결과는 에너지 분야 국제학술지 '어플라이드 에너지'(Applied Energy)에 게재됐다.
남도영기자 namdo0@dt.co.kr
KIST 연구진이 차량의 하중으로 전기를 만드는 압전 발전장치를 시험하고 있다.(KIST 제공)
