재료연, 미세 자기장을 마찰전기 에너지로 변환하는 기술 세계 최초 개발
[보안뉴스 박미영 기자] 국내 연구진이 버려지는 자기장을 이용해 전기에너지를 생산하는 세계 최고 성능의 소재와 에너지 발전기를 개발하는데 성공했다.
재료연구소(KIMS) 분말세라믹연구본부 황건태 박사 연구팀은 한국해양대 이삼녕 교수 연구팀, 영남대 류정호 교수 연구팀과 공동 연구를 통해 집, 공장, 송배전선로, 지하도 등에 흔히 설치된 전선에서 발생하는 미세 자기장을 정전기 효과를 이용해 전기에너지로 변환하는 자기-기계-마찰전기 변환 소재와 이를 이용한 에너지 발전기를 세계 최초로 개발했다.
발전소에서 만들어진 전기는 송배전 선로를 이용해 가정 및 공장 등에 공급된다. 이 과정에서 시설의 노후화와 뜻하지 않은 사고로 과전류가 흐르거나 전선이 끊어질 경우 화재 및 정전 등이 발생해 사회·산업·경제적 측면에서 큰 손실을 초래할 수 있다. 사고 방지를 위해 송배전 선로에 대한 주기적인 점검이 이뤄지지만 고압의 전기가 흐르는 송전탑이나 산속에 위치해 접근이 어려운 전신주는 인력을 이용한 유지 보수가 더욱 어렵다.
이러한 이유로 무선 사물인터넷(IoT)센서 기술을 활용해 송배전 선로의 안정성을 실시간으로 파악하려는 시도가 이뤄지고 있다. 하지만 관련기기에 전원 공급을 위해서는 주기적 교체가 필요한 배터리를 이용하거나 부피가 크고 고가인 변압기 등을 설치해야 하므로 막대한 인력과 비용이 소모되는 문제점이 있다.
한편, 송배전 선로에는 항상 교류 전류가 흐르고 있고 앙페르의 법칙에 의해 전선을 중심으로 소용돌이 모양의 미세 자기장이 발생하는데, 이렇게 버려지는 자기장을 이용해 전기에너지를 생성하고 IoT센서에 전원을 공급하게 된다면 송배전 선로의 사고 예방에 큰 도움을 줄 수 있다.
연구팀은 미세 자기장을 전기에너지로 변환해 IoT센서 시스템을 별도의 배터리 없이 구동하는데 성공했다. 연구팀은 특별히 설계된 자석 구조체를 활용해 미세 자기장을 기계에너지로 변환시켰고, 이를 다시 마찰전기 효과를 이용해 전기에너지로 변환시켰다. 정전기의 일종인 마찰전기는 서로 다른 두 물질이 마찰할 때 발생하는 분극 현상을 통해 움직임·진동 등의 기계에너지를 전기에너지로 바꿀 수 있는 장점을 가진다.
자기-기계-마찰전기 변환에서 생성되는 전기에너지의 크기는 마찰대전물질의 표면적 크기에 비례하게 되는데, 연구팀은 미세한 소금 나노분말을 음속에 가까운 속도로 마찰대전물질에 분사해 함몰시킨 후 물을 이용해 소금을 융해함으로써 친환경적으로 복잡한 형태의 대면적 나노구조체를 마찰대전체 표면에 형성해 정격출력에너지를 수밀리와트(mW)급으로 비약적으로 향상시킬 수 있었다.
기존의 자기장을 활용한 에너지 발전소자는 코일을 이용해 유도전기를 발생시키는 방식을 사용했다. 하지만 이러한 방식은 부피가 크고 에너지 변환 효율이 떨어지는 문제점이 있어 실제 사용에 제한적이었다.
이에 비해 연구팀은 신개념의 자기장 구동형 마찰전기 대전체를 도입해 부피는 작지만 우수한 출력을 가지는 자기-기계-마찰전기 발전기를 개발했고, 이는 공간적 제약이 적어 송배전 선로에 보다 광범위하게 설치될 수 있는 장점을 가진다.
한국전력의 발표에 따르면 2017년 기준 국내 송전선로의 길이는 약 1만5,900㎞, 배전선로의 길이는 약 48만1,364㎞, 송배전에 이용되는 전체 지지물의 개수는 약 922만개로 판단된다. 에너지 하베스팅 기술이 접목된 IoT센서는 송배전 관련 시설의 실시간 모니터링 및 유지보수에 있어 필수적인 요소로 발전할 것으로 기대된다.
연구책임자인 재료연구소 황건태 선임연구원은 “이 기술을 이용하면 매우 저렴한 비용으로 미세한 자기장을 전기에너지로 변환하는 소형 발전기를 제작할 수 있다”며, “이를 국가기간시설인 송배전 선로에 적극적으로 활용할 경우 이상 징후를 실시간으로 파악해 화재 및 정전 등의 대형 사고를 사전에 방지할 수 있을 것”이라고 말했다.
이번 연구 성과는 재료연구소의 자체연구사업, 국가과학기술연구회의 창의형융합연구사업, 한국연구재단의 중견연구자 지원사업과 글로벌프론티어사업의 지원을 받아 수행됐다. 또한 연구팀은 관련 연구 결과를 에너지 분야의 세계 최고 학술지인 영국왕실화학회의 ‘에너지 앤 인바이런멘탈 사이언스지’에 게재(제1저자 재료연 임경원)했고 관련 원천특허를 출원하는 한편, 실용화를 위한 후속 연구를 진행 중에 있다.
[박미영 기자(mypark@boannews.com)]
[보안뉴스 박미영 기자] 국내 연구진이 버려지는 자기장을 이용해 전기에너지를 생산하는 세계 최고 성능의 소재와 에너지 발전기를 개발하는데 성공했다.
[사진=재료연]
재료연구소(KIMS) 분말세라믹연구본부 황건태 박사 연구팀은 한국해양대 이삼녕 교수 연구팀, 영남대 류정호 교수 연구팀과 공동 연구를 통해 집, 공장, 송배전선로, 지하도 등에 흔히 설치된 전선에서 발생하는 미세 자기장을 정전기 효과를 이용해 전기에너지로 변환하는 자기-기계-마찰전기 변환 소재와 이를 이용한 에너지 발전기를 세계 최초로 개발했다.
발전소에서 만들어진 전기는 송배전 선로를 이용해 가정 및 공장 등에 공급된다. 이 과정에서 시설의 노후화와 뜻하지 않은 사고로 과전류가 흐르거나 전선이 끊어질 경우 화재 및 정전 등이 발생해 사회·산업·경제적 측면에서 큰 손실을 초래할 수 있다. 사고 방지를 위해 송배전 선로에 대한 주기적인 점검이 이뤄지지만 고압의 전기가 흐르는 송전탑이나 산속에 위치해 접근이 어려운 전신주는 인력을 이용한 유지 보수가 더욱 어렵다.
이러한 이유로 무선 사물인터넷(IoT)센서 기술을 활용해 송배전 선로의 안정성을 실시간으로 파악하려는 시도가 이뤄지고 있다. 하지만 관련기기에 전원 공급을 위해서는 주기적 교체가 필요한 배터리를 이용하거나 부피가 크고 고가인 변압기 등을 설치해야 하므로 막대한 인력과 비용이 소모되는 문제점이 있다.
한편, 송배전 선로에는 항상 교류 전류가 흐르고 있고 앙페르의 법칙에 의해 전선을 중심으로 소용돌이 모양의 미세 자기장이 발생하는데, 이렇게 버려지는 자기장을 이용해 전기에너지를 생성하고 IoT센서에 전원을 공급하게 된다면 송배전 선로의 사고 예방에 큰 도움을 줄 수 있다.
연구팀은 미세 자기장을 전기에너지로 변환해 IoT센서 시스템을 별도의 배터리 없이 구동하는데 성공했다. 연구팀은 특별히 설계된 자석 구조체를 활용해 미세 자기장을 기계에너지로 변환시켰고, 이를 다시 마찰전기 효과를 이용해 전기에너지로 변환시켰다. 정전기의 일종인 마찰전기는 서로 다른 두 물질이 마찰할 때 발생하는 분극 현상을 통해 움직임·진동 등의 기계에너지를 전기에너지로 바꿀 수 있는 장점을 가진다.
자기-기계-마찰전기 변환에서 생성되는 전기에너지의 크기는 마찰대전물질의 표면적 크기에 비례하게 되는데, 연구팀은 미세한 소금 나노분말을 음속에 가까운 속도로 마찰대전물질에 분사해 함몰시킨 후 물을 이용해 소금을 융해함으로써 친환경적으로 복잡한 형태의 대면적 나노구조체를 마찰대전체 표면에 형성해 정격출력에너지를 수밀리와트(mW)급으로 비약적으로 향상시킬 수 있었다.
기존의 자기장을 활용한 에너지 발전소자는 코일을 이용해 유도전기를 발생시키는 방식을 사용했다. 하지만 이러한 방식은 부피가 크고 에너지 변환 효율이 떨어지는 문제점이 있어 실제 사용에 제한적이었다.
이에 비해 연구팀은 신개념의 자기장 구동형 마찰전기 대전체를 도입해 부피는 작지만 우수한 출력을 가지는 자기-기계-마찰전기 발전기를 개발했고, 이는 공간적 제약이 적어 송배전 선로에 보다 광범위하게 설치될 수 있는 장점을 가진다.
한국전력의 발표에 따르면 2017년 기준 국내 송전선로의 길이는 약 1만5,900㎞, 배전선로의 길이는 약 48만1,364㎞, 송배전에 이용되는 전체 지지물의 개수는 약 922만개로 판단된다. 에너지 하베스팅 기술이 접목된 IoT센서는 송배전 관련 시설의 실시간 모니터링 및 유지보수에 있어 필수적인 요소로 발전할 것으로 기대된다.
연구책임자인 재료연구소 황건태 선임연구원은 “이 기술을 이용하면 매우 저렴한 비용으로 미세한 자기장을 전기에너지로 변환하는 소형 발전기를 제작할 수 있다”며, “이를 국가기간시설인 송배전 선로에 적극적으로 활용할 경우 이상 징후를 실시간으로 파악해 화재 및 정전 등의 대형 사고를 사전에 방지할 수 있을 것”이라고 말했다.
이번 연구 성과는 재료연구소의 자체연구사업, 국가과학기술연구회의 창의형융합연구사업, 한국연구재단의 중견연구자 지원사업과 글로벌프론티어사업의 지원을 받아 수행됐다. 또한 연구팀은 관련 연구 결과를 에너지 분야의 세계 최고 학술지인 영국왕실화학회의 ‘에너지 앤 인바이런멘탈 사이언스지’에 게재(제1저자 재료연 임경원)했고 관련 원천특허를 출원하는 한편, 실용화를 위한 후속 연구를 진행 중에 있다.
[박미영 기자(mypark@boannews.com)]
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