Piezoelectric Energy Harvesting 연구동향

백종후 공학박사 요업기술원 전자부품소재본부 책임연구원

1. 배 경
압전 물질은 기계적인 에너지를 전기적인 에너지로 변환하는 에너지 변환기로서, 무기물 및 유기물을 포함하는 많은 수의 재료가 압전 현상을 일으키는 재료로 알려져 있으며, Pb(Zr,Ti)
O3와 같은 압전 세라믹스는 현재 실용적인 용도로 활용 가능한 재료이다.[1-3]
이러한 기계적 에너지를 전지적 에너지로 변환하는 에너지 변환소자인 압전 세라믹스는 액츄에이터, 변압기, 초음파모터, 초음파 소자 및 각종 센서로 응용되고 있으며, 그 응용분야는 크게 증가하고 있다. 이러한 여러 응용분야 중에서 주변의 무제한 활용되고 있지 않은 진동에너지를 수확하여 전기에너지로 변환, 활용하는 Piezoelectric Energy Harvesting에 대한 관심이 선진국을 중심으로 확대되고 있다. 이러한 Piezoelectric Energy Harvesting은 도래하는 유비쿼터스 무선 모바일 시대의 휴대용 전자제품, 즉 Wearable 컴퓨터, MP3, GSM, Bluetooth 등의 정보통신기기, Robotics, 항공우주, 자동차, 의료, 건축, MEMS 분야 등의 대체 에너지원으로 응용하기 위한 연구가 진행되고 있다.[4-6]
한편 Energy Harvesting은 압전소자의 진동을 이용한 것 이외에도 태양, 온도변화, 소음 등의 주변의 흩어져 있는 환경으로부터도 에너지를 얻어낼 수 있다. 표 1은 태양을 이용한 Solar cells, 진동을 이용한  Piezoelectric, 온도차에 Thermoelectric, 소음에 의한 Acoustic noise 등 여러 Harvesting Energy원으로 부터 얻을 수 있는 Power Density를 나타낸 것이다.
태양 에너지의 경우 가장 높은 Power Density를 발생시키지만, 기후변화나 실내에 있는 경우는 상대적으로 낮은 Power를 내는 것을 알 수 있다. 신발에 장착된 Piezoelectric의 경우 330 μW/cm3의 상대적으로 높은 Power Density를 얻을 수 있는 것으로 보고되었다. [7]
특히 기계적 에너지를 전지적 에너지로 변환하는 에너지 변환소자인 압전 소재를 사용하기 때문에, 주변의 무제한 활용되고 있지 않은 진동이나 인간의 동작 등과 같은 일상적인 동작 (Typing, U. limbbing, Breathing, Walking 등)으로 필요한 전력을 얻을 수 있고, 전자노이즈가 발생되지 않을 뿐 아니라 반영구적으로 사용할 수가 있어서, 기존 이차전지, 연료전지를 대체 또는 보완 할 수 있는 방안도 검토되고 있다. [6-7]
표 2는 Piezoelectric Generators를 통해서 인간의 일상적인 동작으로 얻을 수 있는 에너지를 나타낸 것으로 여러 가지 효율과 손실에 대한 것을 고려하여 이론적으로 계산한 것이다. Walking의 경우 이론적으로 1.265 W의 전력을 얻는 것으로 보고되었다.

2. 기본 원리
Piezoelectric Energy Harvesting은 기본적으로 압전소자에 가해지는 외부충격이나 전계 인가에 의한 진동에 의해서 압전소자에 전원을 발생시켜 압전소자에 접속된 축전지를 통해서 super-capacitor 등의 전원에 충전하는 방식의 연구가 진행되고 있다.[8-10]
압전소자를 이용한 Energy Harvesting Systems의 기본적인 원리를 그림 1에 나타내고 있다. steel ball을 압전 vibrator에 중력으로 낙하시키면 충돌에 의해서 bending vibration이 일어나고 압전효과에 의해서 AC(ig) 전류가 발생한다. 이러한 전류가 Bridge rectifier를 통해서 Capacitor(C)에 저장되어 궁극적으로 Vc만큼의 발전이 일어나며 이러한 과정을 계속 진행하면서 발전의 효율이 극대화 될 수 있다.
압전소자는 아래 식과 같이 압전 전하계수 d33를 비례상수로 외력에 비례하는 전하량 Q를 발생하며 이로부터 생성되는 전기에너지는 d33와 압전전압계수 g33의 곱에 비례하고 소자의 크기와도 직접적인 관계에 있는 것을 알 수 있다. 따라서 발전 효율을 증대시키기 위해서는 압전 소자의 특성, 즉 d33와 g33의 값이 높은 재료의 개발이 필요하고, 소자의 형상과 가해지는 진동의 세기도 중요한 요소로 작용하는 것을 알 수 있다.
Circuit Charge Generated :
Electrical Energy Generated :
그림 2는 Piezoelectric Energy Harvesting System의 발전 구성도의 한 예를 나타낸 것이다. 구동회로의 원리를 살펴보면 먼저 압전 발전소자의 양단은 PZT VIB 1과 PZT VIB 2에 연결되어 발생된 교류신호를 회로로 전달하도록 하고, 전달된 교류신호를 직류로 정류하기 위하여 Bridge Diode
(AM156)를 설치하였으며 정류된 전하량은 470㎌의 캐패시터에 충전되도록 설계하였다.
이 충전용 캐패시터는 발생 전하량의 규모에 맞추어 용량을 결정하며 통상 100㎌~2200㎌의 범위에서 선정된다. 충전된 전하량은 스위치가 켜기지 전까지는 캐패시터 내부에서 계속 유지되며 스위치를 키자마자 PWM 방식의 DC-DC conver
ter를 통하여 3V의 전압을 녹색 LED 쪽으로 보내도록 설계하였다.
따라서 충전된 전하량의 양에 따라서 LED의 점등시간에 변화가 생기게 된다. 아울러 약간의 저항, 인덕터 및 다이오드 등이 신호의 안정성을 도모하기 위하여 설치되어 있다. 각각의 부품은 발생된 전하량의 손실이 최소화되도록 최대효율의 부품을 선정하여 전하량 수집회로를 제작한다.
그림 3은 본 연구실에서 제작한 바이몰프 액츄에이터의 구동을 통해서 60mW 급의 LED가 점등 되는 것을 나타내고 있다.

3. 연구동향 및 응용 분야
현재, Piezoelectric Energy Harvesting은 군수용 발전장치, 의료용 장치의 보조 전원, 자동차의 2차 발전장치, Wearable 전자제품 등에 적용하기 위한 연구가 진행 중에 있으며, 유비쿼터스 센싱 네트워크(USN)의 에너지원으로 검토가 되고 있다. 또한 Artificial Heart, Pacemaker용이나 Healthcare System 그리고 구조물 진단용 센서 전원 등의 소규모 전원뿐만 아니라, 로봇 등의 차세대 전자장치의 전원으로 응용 가능할 것으로 생각된다.[11]  이러한 여러 응용을 위해서 미국, 독일을 중심으로 연구가 활발히 진행되고 있으며, 특히 미국의 경우 Mechanical Engineering, Univ. of California at Berkeley, Center for Acoustics & Vibration, Pennsylvania State Univ., Center for Intelligent Material Systems and Structures, Virginia Polytechnic Institute and State Univ.를 중심으로 이론적 접근뿐 아니라 energy harvesting 기술과 관련된 회로연구도 수행하고 있다.
그림 4는 현재 개발되고 있는 인간의 보행동작을 이용한 발전방법으로 구두바닥에 설치한 압전 재료로 보행할 때에 드는 힘을 추출하는 방법으로 압전 고분자 PVDF와 유니몰프 압전 세라믹소재를 사용하였다. 이러한 소재를 이용한 발전장치를 신발에 장착하여 걷기를 통해서 0.9mJ정도의 에너지를 얻음을 보고하였다.
유비쿼터스 환경하에서 요구되는 각종 센서는 기하급수적으로 증가하여 네트워크를 구성하게 되며 이에 따른 각 센서에 있어 배터리 중심의 전원관리가 새로운 문제점 및 중요한 개선의 대상으로 떠오르고 있다. 배터리 용량증대 중심의 기존 에너지 개발 방향은 유가 급등 및 배터리 전원이 기하급수적으로 요구되는 USN 환경이 대두됨에 따라 Energy Harv
esting & Maintenance Free Power Concept의 구현 쪽으로 관심을 돌리고 있는 시점이다. 이와 관련하여  유비쿼터스 환경의 기본적인 단위를 구성할 것으로 예상되는 센서 네트워크에 적용하기 위한 Energy Harvesting 응용에 대한 연구가 이루어지고 있다.
그림 5는 최근 독일 EnOcean 사는 Transmitter Module에 압전 방식의 Power Generator를 채택하고, 배터리가 필요 없이 스위치를 눌렀을 때 발생하는 에너지를 센서구동, RF 무선신호 송수신, 각종 변환기를 작동시키는데 활용하였다. 또한 Button Push 방식을 이용한 압전 Power Generator의 에너지 효율을 Thermo-couples를 이용한 열에너지, Solar cell을 이용한 태양에너지와 비교하였으며, 표 3은 이러한 내용을 나타내고 있다.
압전소자를 이용한 Button push방식의 경우 3mm×5N 의 힘으로 작동시 200㎼의 에너지를 얻을 수 있으며, 상대적으로 높은 효율을 보여주고 있으며, 이때 사용한 형태는 바이몰프 형태의 압전소자를 사용하였다.
또한 미국의 Ferro Solutions Inc.는 Energy Harvester라는 이름의 에너지 발전시스템을 개발하여 각종 무선전자기기, 센서, MEMS 등에 응용하고 있으며, 독일 업체인 nano
Net사는 Macro Fiber Component(MFC) 블레이드의 진동을 이용하여 발전을 함과 동시에 RF로 신호를 보내는 기술을 보유하고 몇 가지 모델의 제품을 출시하고 있으며, 이때 작동전압은 2.7~3.6V이다.[12-13]
특히 상대적으로 적은 진동으로도 배터리 없이도 data를 언제든지 보낼 수 있어서, 환경모니터링, 의료, 안전시스템, 진동모니터링, 송수신 시스템 등의 응용이 가능하다. (그림 6)
그림 7은 문의 움직임에 의해 Cantilever가 진동하게 되고 Steel Ball이 압전체를 진동하게 하여 나온 전기에너지가 Capa
citor에 저장되어 발생한 신호를 수신기가 받게 되어 알람역할을 하는 장치이다. 압전 발전시스템은 Steel Ball과 두 개의 바이몰프 타입 액츄에이터로 구성되어 있으며, 발전 효율은 액츄에이터의 두께와 압전소재의 기계적 임피던스에 영향을 받는다.
그림 8은 Advanced Cerametrics에서 제작한 Piezoelectric Fiber Composites을 사용하여 13초 동안 30 Hz 진동으로 880mJ(40V)을 얻을 수 있는 Energy Harvesting System을 제작하였다.
이는 분당 0.7mJ을 필요로 하는 LCD 시계를 20시간동안 작동시킬 수 있으며, 이러한 Fiber Composites은 의료장치, 건물, 장비 콘트롤 장치, 스포츠용품 등에 응용하고 있다.
이와 관련하여 일본의 세이코사에서는 발전 성능이 1mm의 진폭으로 2Hz 주기로 진동시 30분에 0.66J정도로 전자시계의 소모 전력은 충분히 확보될 수 있는 것으로 보고하고 있다.
또한  Advanced Cerametrics에서는 압전소자와 결합된 구조에 강철로 이루어진 볼을 압전세라믹 소자판으로 떨어뜨려서 소자판과의 충돌에 의해 기계적 충돌에너지를 적용시켜서, 파형진동을 기판을 포함한 압전 세라믹 소자 판에 야기시키는 것에 위해 전기적인 에너지를 얻었다.
한편 자동차 응용에 있어서 미래에는 환경보호 측면에서 전기자동차의 보급이 확대될 것이 확실히 된다. 이 경우 배터리 충전시간의 단축이 큰 과제로 남아 있으며, 이를 개선시키기 위한 방안으로 주행 중이나 공회전 중에도 자동차 엔진을 이용한 압전 발전 시스템에 대한 연구가 미국을 중심으로 진행되고 있다.
미국 MIDE, Inc.에서는 자동차에 사용가능한 발전장치와 무선 브레이크 측정 시스템을 개발하였다. 최근 일본의 도요타자동차는 자사 하이브리드 자동차에 자동차 엔진의 진동에너지를 압전 소재를 이용하여 전기에너지로 변화하여 배터리에 충전하는 시스템을 연구하고 있다.
4. 맺음말
Piezoelectric Energy Harvesting은 미세 정밀 기계, USN, 모바일 전자분야에서 즉시 응용이 가능할 뿐만 아니라 향후에는 항공우주, 자동차, 의료기기 분야 등에서 필수적인 요소부품으로 사용될 것으로 기대되고 있으며, 특히 유비쿼터스 시대의 새로운 개념의 전원으로 활용될 것으로 기대된다.
이와 같은 많은 적용가능분야를 가지고 있는 Piezoelectric Energy Harvesting 기술은 세라믹, 고분자등의 적합한 조성을 포함한 압전 소재기술, 고효율 형태의 구조설계기술, 효율적인 발전을 위한 회로설계기술 등이 동시에 발전되어야 할 복합기술이다.
이러한 복합적인 기술을 연구, 개발할 수 있는 조직적인 기술개발 전략이 필요하며, 각각의 응용 분야의 요구물성에 부합되는 소재의 개발이 동시에 진행되어야 할 것이다.

참고문헌
[1] Curie, P., Curie, J., ?evelopment by pressur of polar electricity in hemihedral crystals with inclined faces.’, Bull. Soc. Min. de France 3, p. 90, 1880
[2] S. Roberts, Phys. Rev., 71, 870(1947)
[3] JIRI ZELENKA, ‘Piezoelectric Resonators and their Application’, Elsevier Science Publishing Co. Inc.(1986)
[4] ‘Estimation of Elastic Charge Output for Piezoelectric Energy Harvesting’, H.A. Sodano, G. Park and D.J. Inman, 2004 Blackwell Publishing Ltd｜Strain 40, 49-58 (2004)
[5] ‘Efficiency of energy conversion for devices containing a piezoelectric component’, Richards Cecilia D.; Anderson Michael J.; Bahr David F.; Richards Robert F.; Journal of micromechanics and microengineering (14(5)) 717-721  (2004)
[6] ‘Human Powered Piezoelectric Batteries to Supply Power to Wearable Electronic Devices’, Jos?Luis Gonz뇄ez, Antonio Rubio and Francesc Moll
[7] ‘Parasitic Power Harvesting in Shoes’, John Kymissis, Clyde Kendall, Joseph Paradiso, Neil Gershenfeld
[8] ‘Estimation of Elastic Charge Output for Piezoelectric Energy Harvesting’, H.A. Sodano, G. Park and D.J. Inman, 2004 Blackwell Publishing Ltd｜Strain 40, 49-58 (2004)
[9] ‘Power Generation from Piezoelectric Lead Zirconate Titanate Fiber Composites’, Farhad Mohammadi, Ajmal Khan, and Richard B. Cass
[10] ‘Analysis of the transformation of mechanical impact energy to electric energy using piezoelectric vibrator’, Mikio Umeda, Kentaro Nakamura and Sadayuki Ueha, Japanese Journal of Applied Physics. Part 1 (35(5)) 3267-  (1996)
[11] ‘On the efficiency of electric power generation with piezoelectric ceramic;’ Goldfarb, Michael, Jones, Lowell D., Journal of Dynamic Systems Measurement & Control (121(3)) 566-  (1999)
[12] ‘Adaptive piezoelectric energy harvesting circuit for wireless remote power supply’, Ottman, Geffery K., Hofmann, Heath F., Bhatt, Archin C., Lesieutre, George A., IEEE Trans. Power Electron. (USA) (17(5)) 669-676
[13] ‘Efficiency of energy conversion for devices containing a piezoelectric component’, Richards Cecilia D.;  Anderson Michael J.;  Bahr David F.;  Richards Robert F.;, Journal of micromechanics and microengineering (14(5)) 717-721  (2004)

그림 1. 에너지발생과 저장의 원리
그림 2. Piezoelectric Energy Harvesting System의 발전 구성도

         (a) LED light OFF                           (b) LED light ON
그림 3. 압전 진동에 의한 LED 점등 사진

그림 4 인간 보행동작을 이용한 자가 발전 구조
그림 5. 배터리가 필요 없는 무선 스위치장치 (EnOcean, Inc.)
그림 6. 진동에 의한 자가발전 압전센서 동작과 통신 모듈(nanoNet, Inc.)

그림 7. Piezo Generator 구조와 Piezo Generation 무선 도어 알람 시스템
(Nagaoka National College of Technology)

그림 8. piezoelectric fiber composites을 이용한 energy harvesting
         system으로 구연한 LCD 시계 (Advanced Cerametrics, Inc.)

필자약력
고려대학교 재료공학과 박사
요업기술원 책임연구원

<본 사이트에는 일부 표가 생략되었습니다. 자세한 내용은 월간세라믹스 07년05월호 참조바랍니다.>