산업 설비의 진동을 전기로 바꾸는 압전 에너지 하베스터 출력을 기존 보다 200% 높인 기술이 개발됐다.
한국원자력연구원(이하 원자력연) 이경자 박사팀은 KAIST 이건재 교수팀, 경북대 박귀일 교수팀과 공동연구로 감마선을 조사해 복합체 내부 구조를 개선하는 원리를 규명, 압전 에너지 하베스터 출력 한계를 극복했다고 4일 밝혔다.
이번 성과는 감마선 조사가 에너지 하베스터 성능을 높이는 원리를 세계 최초로 밝힌 학술적 가치를 인정받으며 배터리 교체가 어려운 방사선 구역이나 접근 제한구역 무선센서 전원공급에 유용한 기술적 전환점이 될 것으로 기대된다.
최근 원전 산업은 스마트 플랜트 구현을 위해 무선센서 도입을 확대하고 있다.
하지만 기존 배터리 방식은 수명이 짧고 교체 비용과 안전 부담이 커서 대안으로 압전 에너지 하베스터가 주목받고 있지만, 이 설비는 공진주파수에 맞춘 정밀 설계가 필요하고 출력이 낮아 현장 적용에 한계가 있었다.
공동연구팀은 납을 쓰지 않은 친환경 고성능 압전소재와 폴리이미드를 결합해 하베스터 소자를 제작했다.
이어 이 소자에 특정 조건으로 감마선을 조사해 복합체 내부 고분자 사슬 구조가 끊어지며 더 촘촘하게 변하도록 했다.
이런 구조 변화는 진동 에너지가 압전 소자에 전달되는 응력 전달 효율과 전압 생성 능력을 나타내는 압전 전압 상수를 동시에 높인다.
실제 실험 결과 감마선 조사 이후 소자 출력은 조사 전보다 전압 약 240%, 전류 약 200% 증가했다.
이에 따라 소자 설계변경 없이 사후 공정만으로 출력을 획기적으로 높일 수 있어 산업 현장 활용성도 클 것으로 기대된다.
이정한 원자력연 기기안전진단연구부장은 “이번 성과는 원전 설비의 진동에너지를 이용한 자가발전 전원공급 핵심 기반기술을 확보했다”며 “향후 출력 고도화 연구를 통해 실제 원전 설비에 적용 가능한 수준으로 발전시키겠다”고 말했다.
한편, 이번 연구결과는 지난 1월 국제학술지 ‘케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal)’에 게재됐다.
(논문명: 감마선 조사 기반 미세구조 제어를 통한 폴리이미드 기반 압전 복합체의 출력 성능 향상 / γ-ray induced microstructure modulation for enhanced output performance of polyimide-based piezoelectric composites)
