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지능재료를 이용한 진동 에너지 하베스팅 기술
선 경 호 한국기계연구원 선임연구원 ㅣ e-mail : [email protected]
이 글에서는 마이크로 에너지 하베스팅(micro energy harvesting)에 사용되는 지능재료 (smart material)의 작동 원리 에 대해 소개하고, 이를 이용한 진동에너지 수확장치에 대해 기술하고자 한다.
인류의 역사와 더불어 개발된 수많은 기계들은 재료 의 발전과 더불어 그 형태와 규모가 변화하고 있다. 20 세기 들어 연구되어 온 다양한 지능재료들은 재료공학 뿐 아니라 기계공학 전반에 걸쳐 기술의 향상과 연구 분야의 확대에 기여하고 있다. 많은 분야에서 흔히 지 능구조물과 지능재료를 서로 혼용하여 사용하고 있으 며, 이를 지능재료 및 구조물(SMS: Smart Materials &
Structures)이라 한다. 일반적으로 SMS란 재료 자체 혹 은 현존하는 구조재료와 결합한 것으로 재료자체가 센 싱, 액추에이팅, 제어 등의 능력을 보유한 것을 말한다.
10여 년 전부터 이러한 다양한 지능재료 중 에너지 변 환 능력을 지닌 재료를 이용하여 전기 에너지를 수확하 는 에너지 하베스팅 연구 분야가 각광받고 있으며, 지 능재료뿐 아니라 저전력 소자 및 센서, 에너지 저장, 무 선 통신, 구조 건전성 연구 분야와 더불어 다양한 융합 연구 분야로 자리 잡고 있다. 이 글에서는 다양한 지능 재료 중에서 기계적 진동 에너지를 전기 에너지로 변환
하는 재료와 이를 이용한 하베스팅 원리에 대해서 소개 하고자 한다.
에너지 하베스팅에 사용되는 다강성 물질의 다 기능성
다기능성(multifunctional) 재료 중 다강성(multi ferroic) 물질은 둘 이상의 강성(ferroic property)을 지 니는 물질을 지칭하며, 강성이라 함은 강유전성 (ferroelectric), 강 자 성 (ferromagnetic), 강 탄 성 (ferroelastic)을 포함한다. 강유전성은 BaTiO
3와 같이 퀴리 온도(Curie temperature) 이하에서 자발적인 분극 (polarization)을 지니고 전기쌍극자(electric dipole)가 영역(domain)이라 부르는 곳에서 스스로 배열되며, 외 부 전기장 방향에 따라 +, - 분극의 방향이 바뀌는 특성 을 말한다. 강자성은 철, 니켈, 코발트와 같이 외부 자기 장이 없는 상태에서도 자화되는 물질의 자기적 특성으 로, 외부 자기장 방향에 따라 쌍극자 모멘트가 강한 결 합에 의해 평행하게 정렬되어 강한 자성체의 특성을 지 니는 것을 말한다. 마지막으로, 강탄성은 힘에 의해 변 형이 발생하는 일반적인 탄성체의 특성을 말한다.
따라서 다강성 물질은 세 가지 연성효과를 지니는데, 강유전성과 강탄성의 상호작용에 의한 효과를 압전 (piezoelectric) 효과라고 하고 강자성과 강탄성의 연성 효과를 자기변형(magnetostrictive) 효과, 강유전성과
그림 1
Energy Harvesting Perspective Portfolio (from EPSRC portfolio)
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지능재료를 이용한 진동 에너지 하베스팅 기술
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강자성의 연성을 자전기(magnetoele ctric) 효과라고 한다. 즉 압전물질은 압력 또는 기계적 힘을 가하면 전압이 발생하게 되고, 자기변형 물질은 힘을 받으면 자기장의 변화가 발생되며, 자 전기 물질은 외부에서 자기장을 가해 주면 전압이 발생하는 현상이 나타난 다. 에너지 하베스팅은 이러한 각각의 다강성 물질의 에너지 변환 특성을 이 용할 수 있으며 대표적으로 가장 많이 활용되는 있는 것은 압전 효과이며, 자 기변형 및 자전기 효과를 이용한 하베 스터 역시 활발히 연구되고 있다.
압전효과를 이용한 에너지 하베스팅
압전 효과는 결정 구조의 이온 변형에 의해 나타나는 데, 1880년 Pierre Curie와 Jacques Curie에 의해 로첼 소금(Rochelle salt)에서 처음으로 발견되었다. 압전 효 과는 외부 힘이 가해지지 않은 상태에서는 재료 내 전 하의 분포가 대칭적이고 전기적으로 중성이지만, 외부 에서 힘이 가해지면 전하의 분포가 비대칭이 되고 이러
한 분극(polarization)에 의해 전압이 발생한다. 자연 상태의 압전 재료는 그 효과가 크지 않았으나 1900년대 중반 에 세라믹 계통의 재료가 만들어지고, 잠수함의 위치를 추적하기 위한 음파 탐지기에 쓰이면서 공학적 응용이 확 대되었다. 근래의 압전 재료를 이용한 진동 에너지 하베스팅은 매우 다양한 형태로 구현될 수 있으나, 간단한 구조 와 더불어 큰 변형률을 얻을 수 있으며 주파수 대역 조절이 용이한 장점으로 인해 여전히 외팔보 구조가 가장 많이 연구되고 있다.
에너지 하베스팅에 사용되는 압전재료는 가격대 성 능비와 양산성이 뛰어난 세라믹 소재인 PZT가 가장 많 이 사용되고 있다. PZT는 쌍극자의 운동성 관점에서 연 성(soft) 혹은 경성(hard)으로 나눠지는데, 하베스팅에 는 압전 상수값이 높아 에너지 변환 효율이 우수한 연 성 PZT가 주로 사용되고 경성 PZT는 동일 입력 전압에 비해 발생 힘이 커서 액추에이터에 주로 사용된다.
PZT-5H는 일반적으로 가장 구하기 쉽고 성능이 좋은 하베스팅용 재료이지만, 세라믹 특성상 충격에 매우 약
<지능재료를 이용한 진동 에너지 하베스터 장점>
지능재료를 이용한 진동 에너지 하베스팅의 장점은 수확 대상 에너지원인 진 동 에너지가 주변 환경 어 디에나 존재하여 수집이 쉬울 뿐 아니라 수확장치 구성이 간단하여 하베스터 의 소형화 및 MEMS 구현 이 용이하다는 점이다.
그림 3
압전상수 크기 증가에 따른 압전재료의 개발 과정
그림 2다강성 재료의 연성효과 원리와 압전, 자기변형, 자전
기 효과를 이용한 에너지 하베스터 연구 사례
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하며 압전 성능 측면에서 더 우수한 재 료들이 지속적으로 개발되고 있다. 따 라서 재료의 내구성 측면에서 폴리머 형태의 PVDF나 파이버 형태의 복합재 인 MFC(Macro Fiber Composite)가 많 이 사용되며, 성능 측면에서 압전 상수 값이 큰 단결정 압전재료로 PMN-PT, PMN-PZT에 대한 적용이 최근 많이 연 구되고 있다. 또한 단결정 압전재료를 Fiber 형 태 로 가 공 하 여 배 열 한 SFC(Single Fiber Composite)의 적용 역시 고성능의 압전 하베스터 개발을 가속화할 것으로 예상된다.
압전형 에너지 하베스터는 주로 공진에 따른 대변형 을 전기적 에너지로 변환하기 때문에, 외부 환경(가용 주파수, 가속도 등)에 따른 구조물의 진동 특성을 반영 하기 위한 설계가 먼저 이루어져야 한다. 현재 압전 하 베스팅 분야는 수학적 모델링이나 유한요소 해석 절차 가 잘 정립되어 있으며, 상용 프로그램(ANSYS, COMSOL 등)들을 사용하여 동역학적, 전기적 연성 특 성을 쉽게 파악할 수 있다. 또한 각 재료들의 어셈블에 의한 제작 공정이 단순하며, 성능평가 절차는 일반적인 구조물의 진동평가 절차에 전기적 출력 측정 과정이 추 가된다.
자기변형 및 자전기 효과를 이용한 에너지 하베스팅
자기변형 물질을 이용한 하베스터는 진동에 의해 재료에 변형이 발생될 때 재료 내 자화(magnetization)의 변화가 발생하게 되고(Villari effect), 이러한 자기장 변화를 코일을 이용해 전기로 변환하는 원리를 이용한다. 대부분의 강자성 물질들은 이러한 자기변형 특 성을 지니고 있으나, 그 크기가 작아서 실질적으로 응용하기에는 적합하지 않 다. 하지만 Terfenol-D나 Metglas와 같 이 특수하게 개발된 재료들은 큰 자기변형 효과를 나타 냄에 따라 하베스팅 분야에서도 활용이 가능함이 보고 되고 있다. 특히 자기형상기억합금(MSMA: Magnetic Shape Memory Alloy)과 같은 대 변형 재료는 저주파수 에서 충격에너지를 하베스팅하는 용도로 적합하다.
자전기 효과는 원래 전기장과 자기장의 연성효과로 단상의 물질에서는 현재까지 상온에서 구현하기 힘든 효과이기 때문에, 많은 연구자들이 압전 물질과 자기변 형 물질을 동시에 적층하여 복합재 형태로 사용하고 있 다. 예를 들어 압전/자기변형 복합재가 외팔보 형태로 진동하고 있을 때, 기계적 변형에 의해 발생하는 변화
<진동 에너지 하베스터에 사용되는 압전재료의 선택>
다양한 압전재료 중 에너 지 하베스팅에 가장 적합 한 재료는 결국 선택의 문 제이다. 압전재료 내에서도 전기적 특성과 기계적 특 성의 장단점이 존재하므로, 원하는 주파수, 전기출력, 에너지 밀도, 내구성 등을 종합적으로 고려하여 선택 해야 한다.
그림 4
압전 에너지 하베스터 설계, 제작, 성능평가 절차(한국기계연구원)
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지능재료를 이용한 진동 에너지 하베스팅 기술
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를 압전 재료에서는 전압 형태로 변환하고 자기변형 물 질에서는 진동에 따른 자기장의 변화를 외부 코일에서
전압의 형태로 변환이 가능하다. 이러한 자 전기 효과는 여러 가지 압전 및 자기변형 재 료 의 조 합 으 로 가 능 한 데 현 재 까 지 Metglass+MFC/SFC, MSMA+MFC와 같은 조합들이 에너지 하베스팅에 사용되는 것 으로 보고되고 있다.
2000년 초부터 본격적으로 시작된 마이 크로 에너지 하베스팅은 그 동안 많은 과학 자나 공학자들로부터 기술의 실효성에 대 한 의심의 대상이 되기도 하였으나, 현재는 저전력 소자 기술, 에너지 변환 소재, 무선 통신 기술의 발달로 그 응용 가능성이 한층 더 높아지고 있다. 이 글에서는 에너지 변 환에 사용되는 물질 중 압전, 자기변형, 자 전기 효과에 대해 간단히 소개하였으며, 다 양한 고성능 물질의 개발과 적용이 하베스 팅 연구분야의 성공을 가속화할 것으로 기 대한다.
기계용어해설
일시적 부식 억제제(Volatile Corrosion Inhibitor)
상온에서 극히 완만하게 증발하는 가스가 금속의 전표면 을 피복시켜 방식효과를 나타냄.
자기유변유체(MR Fluid)
외부 자기장에 의해 유체의 점성이 변하는 유체.
자긴가공(Autofrettage)
압력용기의 소성역까지 압력을 가하여 잔류압축응력을 발생시켜 사용내압을 증가시키는 공정.
절충의사 결정문제(Compromise Decision Support Problem)
목적함수가 달성해야 할 목표를 설계자가 결정하고 이를 목표 제한조건(goal constraint)으로 구성하여 실제 제한조 건(real constraint)과 함께 비선형계획으로 최적화를 수행 하는 방법. 목표를 달성할 때에는 적당한 절충을 고려하며 원래의 제한조건에 대해서는 절충없이 반드시 만족시킴.
접착강도시험(Bond Test)
코팅층의 접합강도 및 결합강도를 측정하기 위한 인장시험.
그림 5
