[아이뉴스24 김문기 기자] 도로 위를 달리는 차량은 상당량의 에너지를 노면의 진동, 변형, 열에너지로 소비한다. 이러한 에너지를 활용할 수 있는 길이 열렸다.
한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권)은 강종윤 고려대학교 KU-KIST 융합대학원 교수가 이끄는 박사팀이 도로 위를 지나가는 차량의 하중으로부터 전기를 생산하는 고내구성, 고출력의 고분자량 화합물인 폴리머 기반의 압전 발전장치를 개발했다고 9일 발표했다.
차량으로부터 발생하는 노면의 진동, 변형과 같은 에너지를 전기 에너지로 변환하기 위해서는 압전, 정전, 전자기 발전과 같은 기계적 에너지 하베스팅 방법이 필요하다. 그 중에서도 압전 발전은 높은 에너지변환 효율 특성으로 인해 에너지 하베스팅 분야에서 각광받고 있는 기술이다. 다만, 주로 소량의 에너지를 생산하는 저전력 응용분야에만 부분적으로 활용됐다.
높은 전기 생산을 위해서 압전 소재 제작에 주로 사용되었던 ‘납’은 환경오염 및 건강을 해치는 유해한 물질로 압전 발전 응용분야의 제한요소로 작용됐다.
강 박사팀에서 개발한 압전 발전장치는 납을 포함하지 않는 유연 압전 폴리머 소재인 이소불화비닐(PVDF)를 사용해 친환경 소재의 장치를 구현했다. 낮은 전기 생산 능력을 보이던 압전 폴리머 소재의 한계를 극복해 대용량 발전을 실현했다.
연구진은 차량으로 인해 발생하는 도로의 변형을 모델링하여 유연 압전 소재와의 상관관계를 수학적으로 도식화하했다. 노면의 미소 변위로도 유연 압전 소재의 높은 변형을 유도할 수 있게 장치를 개발했다.
개발된 압전 발전장치에서 측정된 최대 전력량은 620.2mW(30×30cm2)로, 기존 납 계열 세라믹을 기반으로 한 해외의 도로용 압전 발전장치와 비교해 5.3 배 높은 출력을 보여준다.
중부내륙고속도로 여주 시험도로에 실제 적용돼 실제 도로 환경 속에서 성공적으로 테스트를 마쳤다. 1천만 번 이상의 충격에도 전기 생산 저하가 발생하지 않는 우수한 내구성을 입증했다.
연구진은 이번 기술을 고속도로 및 일반 국도 등에 효율적으로 적용되기 위한 솔루션을 제공하고, 한국∙미국에 특허 출원 및 등록하여 압전 발전의 상용화를 앞당겼다는 평가를 받고 있다.
김상태 KIST 박사는 “이번 도로용 압전 발전 장치의 개발은 높은 내구성을 실현함으로써 극히 드물었던 압전 하베스팅 기술의 상용화를 앞당길 수 있다는 측면에서 의미가 크다."고 말했다.
연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민)지원으로 국가과학기술연구회(이사장 원광연) 창의형융합연구사업과 한국에너지기술평가원의 에너지기술개발사업으로 수행됐다.
김문기기자 moon@inews24.com
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