한국생산기술연구원(이하 생기원)이 송전선에서 발생하는 자기장을 전력으로 전환하는 에너지하베스팅 기술을 개발했다.
이 기술은 배터리 충전이나 교체 없이 송전선 주변을 비행하는 초소형 드론이나 사물인터넷(IoT) 센서의 독립 전원으로 활용할 수 있다.
생기원 에너지나노그룹 윤승하 수석연구원팀은 송전선 주변에서 발생하는 원형 자기장을 효과적으로 수집할 수 있는 새로운 에너지하베스팅 방식을 구현하는 데 성공했다.
이번 연구는 중앙 고정·양측 자석 기반의 대칭 진동 구조를 적용한 것이 특징이다.
자기장 기반 에너지하베스팅은 자기장의 세기나 방향이 변할 때 피에조에 연결된 자석에 작용하는 힘이 달라지고, 그 힘으로 피에조가 휘면서 전기가 생성되는 방식이다.
피에조는 눌리거나 구부러지는 기계적 변형을 받으면 전기가 만들어지는 특성을 가진 소재로, 크게 반복적으로 휘어질수록 전기 생성량이 커지고 출력도 유지되기 때문에 공진 상태에서 충분한 변형이 일어나도록 만드는 것이 중요하다.
때문에 자기장 에너지하베스팅 방식은 피에조 한쪽을 고정한 채 다른 한쪽에 자석을 배치해 외부 자기장에 의해 움직일 수 있도록 설계된다.
연구팀은 이런 기본 구조에서 나아가 송전선 주변에 형성되는 원형의 교류 자기장이 자석을 지속적으로 밀고 당긴다는 점에 착안, 피에조가 공진 상태를 유지하며 크게 휘어질 수 있는 대칭 진동구조 모듈을 개발했다.
피에조를 중앙에 고정하고 양쪽에 서로 반대 극성을 갖는 영구자석을 배치, 송전선 주변 자기장의 방향이 바뀔 때마다 양측 자석이 같은 방향으로 움직이도록 설계된 에너지하베스팅 모듈이다.
이 구조는 하나의 자석과 피에조를 이용하는 기존 방식 대비 2배 많은 전기를 생산할 수 있다.
아울러 자석 주변에 자기장을 모아주는 장치(MFC)를 배치해 약한 자기장에서도 자석에 전달되는 힘을 높여 피에조 단위 면적당 전력 변환 효율을 20% 이상 향상시켰다.
실제 연구팀이 구조 검증을 위해 헬름홀츠 코일로 송전선 주변과 유사한 자기장 환경을 구현한 결과 개발한 하베스터가 송전선 주변 5.4Gauss 수준의 약한 자기장에서도 25.2㎽/㎤ 수준의 전력 확보가 가능했다.
윤 수석연구원은 “송전선 주변에서 발생하는 미약한 자기장도 전력으로 전환할 수 있어 향후 송전설비 주변 IoT 센서나 초소형 드론처럼 외부 환경에서 충전이 어려운 장치에 적용하면 상시 운용가능한 자가 전원기술로 발전시킬 수 있다”고 설명했다.
