김 영 철 한국기계연구원 시스템다이나믹스연구실 책임연구원 ㅣ e-mail : [email protected]
일반적으로 에너지 하베스팅 기술은 진동/운동 에너지, 열 에너지, 빛 에너지, RF 에너지 등 주위의 버려지는 에너지 를 전기 에너지로 변환하는 기술을 일컫는 말인데, 이 글에서는 그 중에서도 진동 에너지를 전기 에너지로 변환하는 진동 에너지 하베스팅 기술의 적용을 위해 고려해야 할 여러 가지 주제들을 소개하고자 한다.
진동 에너지 하베스터의 적용 대상
진동 에너지 하베스터는 무선센서네트워크(WSN)를 이용하여 산업플랜트, 자동차를 비롯한 수송기계, 건물 자동화, 교량, 도로, 환경 등의 상태 진단에 활용하기 위 해 주로 개발되고 있다. 또한 환자의 건강 모니터링, 휴 대용 전원 등 몸에 착용/삽입 가능한 Wearable 전자 장 비에 적용하기 위해서도 개발되고 있다. 각종 산업 구조 물에 사용되는 무선센서들의 소비전력을 살펴보면 압 력센서, 온도센서, 습도센서, 광센서 등은 주로 1mW 이 하에서도 구동가능하며, 응력센서나 진동센서는 수십 mW의 동력을 필요로 한다. 최근에 각종 산업구조물의 구조건전성 모니터링(structural health monitoring)을
위한 무선센서 장비의 전력원으로 사용하기 위한 시제 품들이 지속적으로 출시되고 있어, 정보화 사회로 가는 데 있어서 큰 산업적 변혁을 불러올 수 있는 기술로 평 가받고 있다.
진동 에너지 하베스터는 일정 주파수로 운전하는 산 업기계의 진동을 이용하기 때문에 공진형으로 개발되 는 경우가 많다. 보통 산업기계들에서 발생하는 진동은 20~200Hz 성분을 기본 주파수로 하는 경우가 많으며, 진동진폭은 수 μm에서 수백 μm, 가속도로는 0.1G~
10G 정도로 분포한다. 산업기계 가운데에서도 보통 20
~100Hz 범위에서는 전자기형이 적합하며 대략 수십 mW 급까지 개발이 가능하다. 반면에 100Hz 이상의 고 주파수 진동환경에서는 압전형이 적합하며, 대략 수
그림 1주위 환경의 진동에너지원 그림 2주위 환경으로부터 수확 가능한 전기출력
mW급까지 개발이 가능하다. 인체에서 발생하는 진동 은 2~3Hz대의 저주파수이며, 0.2~0.5G 수준의 가속도 를 갖지만 진폭이 커서 대략 수백 mW급까지의 에너지 수확이 가능하다. 교량에서 발생하는 진동은 진폭은 크 지만 가속도 크기는 0.1G 이하인 경우가 많아 수mW 급 의 에너지 수확이 가능하다.
진동 에너지 하베스터의 성능 지표
보통 에너지 하베스터의 성능을 나타내는 지표로 출 력(Output Power, mW)과 출력밀도(Power Density, mW/cc)를 가장 많이 사용한다. 하지만 관련 논문이나
문헌들을 살펴보면 이 외에도 비출력(Specific Power, mW/g), 정규 출력(Normalized Power, mW/G), 정규출 력밀도(Normalized Power Density, mW/cc/G
2, mW/cc/G, 또는 mW/cc/s/G) 등으로 성능을 나타내기 도 하고, 효율이나 효용성 등으로 성능을 나타내는 경우 도 있다. 아직까지 진동 에너지 하베스터에 관한 표준화 된 성능지표는 존재하지 않기 때문에, 출력을 성능지표 로 사용하고자 한다면 에너지 하베스터의 체적과 외부 환경진동의 가속도 값을 병기하는 것이 좋다. 만약 서로 다른 크기와 서로 다른 외부 환경진동을 종합적으로 고 려하여 에너지 하베스터의 성능을 서로 비교하고자 한 다면 정규출력밀도(mW/cc/G
2)를 사용하는 것도 좋은
그림 4문헌들에 보고된 진동 에너지 하베스터의 출력밀도 분포 그림 3문헌들에 보고된 진동 에너지 하베스터의 출력 분포
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대안이 될 수 있다.
그림 3, 4는 각종 문헌들에 소개된 압전형 및 전자기형 에너지 하베스터에 대해 출력 및 출력밀도 크기와 주파 수 분포를 나타낸 것이다. 문헌에서 관찰된 진동 에너지 하베스터의 크기는 0.001~300cc에 분포하고 있으며, 주 파수는 10~1,000Hz의 범위에 존재하였다. 보고된 출력 은 10
-5~100mW의 값을 가짐을 볼 수 있는데, 에너지 하 베스터의 크기가 커짐에 따라 출력이 증가하고 주파수 가 커짐에 따라 출력이 감소하는 경향을 가진다. 하지만 출력밀도는 에너지 하베스터의 크기나 주파수에 따른 경향성이 적으며, 개발자에 따라 다양한 분포를 가진다.
진동 에너지 하베스터 상용품
최근 미국과 유럽의 여러 회사에서 진동 에너지 하베 스터 상용품들을 출시하고 있다. 아직까지 대부분의 상 용품들은 특정 주파수에서만 작동하며 광대역에서 작 동하지 않기 때문에 사용 환경에 강하게 종속되는 특성 을 가진다. 여기서는 압전형과 전자기형에 대해 한 개씩 만 선정하여 소개하기로 한다.
압전형 하베스터의 대표적 상용품으로 MIDE사의 PEH 25w 제품을 들 수 있다. MIDE사는 1989년 MIT 연 구원인 Dr. Marthinus van Schoor가 창업한 회사로 압 전물질을 비롯한 지능형소재(smart material)를 이용한
그림 5진동 에너지 하베스터 상용품
그림 6MIDE사 PEH 25w의 사양 및 성능곡선
그림 7Perpetuum사의 PMG FSH 사양 및 성능곡선
제품들을 개발하고 있으며 현재 세계 최고 수준의 압전 형 상용 하베스터를 개발 및 생산하고 있다. 이 제품의 부피는 40.5 cm
3이며 100Hz로 튜닝할 경우 2mW 정도 의 최대 출력이 발생하며, 50Hz로 튜닝할 경우 파워 밀 도는 1g에 178μW/cm
3정도임을 볼 수 있다.
전 자 기 형 하 베 스 터 의 대 표 적 상 용 품 으 로 는 Perpetuum사 의 PMG FSH 제 품 을 들 수 있 다 . Perpetuum사는 2004년 영국 Southhampton 대학에서 Spin-off한 회사로서, 각종 공장자동화 무선 센서들과 연계한 세계 최고수준의 에너지 하베스터를 개발 및 생 산하고 있다. 이 제품의 부피는 230cm
3이며 60Hz로 튜 닝할 경우 20mW 정도의 최대 출력이 발생하며, 60Hz 에서 파워 밀도는 0.5g에 87μW/cm
3정도임을 확인할 수 있다.
진동 에너지 하베스터의 작동 원리
진동 에너지 하베스터는 기계적 진동에너지를 전기 에너지로 변환시킴에 있어서 그 변환효율이 최대가 되 도록 기계적 임피던스와 전기적 임피던스를 상호 매칭 시키는 역할을 한다. 그림 8은 조화 가진을 받는 압전형
진동 에너지 하베스터와 전자기형 진동 에너지 하베스 터의 기계-전기 연성방정식을 나타낸다. 압전형의 경우 압전 연성계수(piezoelectric coupling factor) α에 의해 상호 연성되어 에너지변환이 일어남을 보여주고 있는 데, 연성계수는 주로 압전재료와 부착된 패치의 형상 및 배선에 의해 결정된다. 마찬가지로 전자기형의 경우 전 자기 연성계수(electormagnetic coupling factor) κ에 의 해 상호 연성되어 에너지변환이 일어남을 보여주고 있 는데, 연성계수는 주로 전자석과 영구자석에 의해 형성 된 자기장에 의해 결정된다. 따라서 진동 에너지 하베스 터를 설계하기 위해서는 이들 에너지 전달 재료 특성을 파악하여 기계적 진동방정식과 전기적 회로방정식을 연성하여 계산함으로써 그 성능을 파악하게 된다.
진동 에너지 하베스터의 성능을 예측하는 가장 간단 한 모델은 1995년 Williams에 의해 제시된 선형 댐퍼모 델이다. 즉 에너지 하베스터를 1자유도계로 모델링하고 댐핑값 가운데 기계적 댐핑 외에 에너지변환에 따른 전 기적 댐핑값을 고려함으로써 그 연성 특성을 고려하는 모델이다. 이 모델에 따르면 전기 출력은 다음 식과 같 이 표현된다.
따라서 진동 에너지 하베스터는 공진점에서 기계적 댐핑값과 전기적 댐핑값이 같을 때(임피던스 매칭) 최 대의 출력값을 얻을 수 있으며, 이 때 최대 전기 출력 방 정식은 다음과 같다.
이 식으로부터 에너지 하베스터는 주어진 크기 제한 치내에서 최대한 기계적 Q factor가 높도록(즉, 감쇠가 작도록) 설계하는 것이 유리하며, 동일 가속도조건에서 라면 기본공진주파수가 낮은 데서 운용하는 것이 유리 함을 알 수 있다.
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그림 8압전형 진동 에너지 하베스터의 기계-전기 연성방정식
그림 9전자기형 진동 에너지 하베스터의 기계-전기 연성방 정식
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진동 에너지 하베스터 개발에 극복 과제
진동 에너지 하베스터를 개발함에 있어서 기술적인 난제들을 열거하면 다음과 같다, 첫째, 출력밀도를 높이 는 것이다. 보통 출력밀도는 하베스터의 크기가 작아지 면 떨어지는 경향이 있다. 따라서 최적화 기술과 접목하 여 소형화하면서도 출력을 높일 수 있는 기술이 중요하 다. 둘째 광대역화기술이다. 현재 상용화된 기술들은 주로 공진형이므로 작동주파수가 조금만 변경되는 경
우 에너지수집이 불가능하다. 따라서 Bi-stable 기술을 비롯한 다양한 광대역화 기술의 개발이 접목이 되면 그 활용성이 훨씬 커진다고 할 수 있다. 셋째, 효율적인 에 너지저장장치이다. 적절한 에너지저장장치가 없다면 에너지원을 발생시키는 대상 시스템이 활성화된 경우 에만 전기공급이 가능할 것이다. 원할 때 적절한 양의 에너지만 사용가능하도록 하기 위해서는 효율적인 저 장 장치의 개발이 필요하다.
그림 10선형댐퍼모델에 의한 에너지 하베스터의 출력 특성
