차세대 에너지변환 세라믹스소재기술 개발동향 및 산업적 응용 전망/조정호

편집부
등록 2010-11-08 14:41:24
수정 2015-03-04 04:41:08

압전 세라믹스를 이용한
에너지 하베스팅 개발 현황과 전망

백종후 한국세라믹기술원 광·전자세라믹본부 본부장
조정호 한국세라믹기술원 광·전자세라믹본부 전자부품센터 센터장
정영훈 한국세라믹기술원 광·전자세라믹본부 전자부품센터 선임연구원
이영진 한국세라믹기술원 광·전자세라믹본부 전자부품센터 선임연구원

1. 서론
압전 세라믹이란 기계적 에너지를 전기에너지로 변환하거나 혹은 전기에너지를 기계적 에너지로 변환할 수 있는 세라믹 소재로서 전자산업분야의 중요한 소재로서 역할을 하고 있다. 국내에서는 대부분의 압전세라믹스 원료와 응용부품을 전량 수입에 의존하다가 1980년대 후반에 들어서야 압전소자 제품을 생산하기 시작했고, 국산화 기술에 대한 노하우를 가지고 있는 중소기업들을 중심으로 레조네이터, 압전센서, 초음파모터 등 다양한 품목을 생산하고 있다. 압전 세라믹스의 주재료는 대표적인 페롭스카이트 물질인 BaTiO3와 기계적 성질이 우수한 Pb(Zr,Ti)O3 등의 복합 페롭스카이트 구조를 가진 세라믹스를 중심으로 개발이 이루어져 왔으나, 최근에는 휘발성 유해물질인 PbO가 함유되지 않으며, 물리적 성질과 기능이 우수한 비납계 압전 재료의 개발과 응용에 관한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 이러한 압전 세라믹스는 기술은 통신기기 분야, 의료기기 분야, 가정용 전자기기 분야, 정밀계측기기 분야, 군용 분야 등 다양한 산업분야에 응용이 되어 왔으며, 최근에는 주변의 무제한 활용되고 있지 않은 진동, 충격, 풍력, 조력 등 각종 물리적 기계에너지를 소재 및 부품화 기술을 통하여 고효율 전기에너지로 변환, 활용하는 압전 에너지 하베스팅 기술이 최근 많은 관심을 받고 있다. 이러한 압전 에너지 하베스팅 시스템의 원리는 친환경 기반의 에너지 하베스팅은 유비쿼터스, 무선 모바일시대의 전자기기에 필요한 수 마이크로와트급의 대체 소형 에너지원으로서 뿐만 아니라, 도로, 철로, 활주로 등의 사회기반 시설 등에 대규모로 설치할 경우 수 메가와트급의 전력공급이 가능한 신개념의 에너지원으로 하베스팅 시스템의 고출력화, 장수명화, 그리고 저장장치의 고효율화를 구현하기 위한 소재 및 구조의 개발에 관한 연구가 필요하다. 여기서는 압전세라믹스를 이용한 에너지 하베스팅 기술의 개발현황과 산업응용에 대하여 전망해 보고자 한다.[1-3]

2. 본론
압전 세라믹스를 이용한 에너지 하베스팅 기술은 소재의 형태와 전력발전을 위한 모듈의 구조에 따라서 다양한 방식으로 제작되며 출력되는 전력의 크기에 따라서 그 응용범위도 매우 다양하다. 이를 크게 분류하면 Macro-scale의 에너지 발전과 MEMS를 이용한 Micro-scale 에너지 발전, 나노구조를 이용한 Nano-scale의 에너지 발전으로 나누어 볼 수 있다.[그림 2 참조] Macro-scale 압전 에너지 하베스팅의 경우 다양한 구조의 압전 모듈을 통해 풍력, 조력, 사람의 움직임에 따른 압력이나 진동과 같은 큰 물리적 에너지로부터 발전을 하며 충전을 통해 철도, 도로, 항만, 조력 시스템의 보조전력으로 적용이 가능한 대용량 발전을 하는 반면, Micro-scale 압전 에너지 하베스팅의 경우 주로 단일 발전모듈을 활용하여 특정 부품에 적용을 위한 소형의 압전 모듈을 제작하여, 소량의 진동이나 충격으로부터 발전하여, 센서나 소형전자기기의 전원이나 보조전원으로 사용하는 것을 목적으로 한다. Nano-scale 압전 에너지 하베스팅의 경우, 압전성과 반도성의 커플링 효과를 가지는 나노선 구조의 소재를 이용하여 기판 위에 고밀도 나노선 어레이 구조를 통해 극히 미세한 압력이나 진동에 의해서 나노선이 휘어질 때 내부의 전위차에 의해 발생하는 전류를 추출하여 초소형의 나노소자 전원이나 나노 센서의 전원으로 활용이 가능하다. 이들을 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.

가. 매크로 에너지 하베스팅
일본의 음력발전(www.soundpower.co.jp)이라는 기업에서는 압전스피커가 작동하는 원리로부터 발상의 전환을 통하여, 사람이 이동할 때 발생하는 진동 효과를 진동판을 사용하여 극대화함으로써 압전체를 통해서 전기가 발생되도록 하였다. 그림 3은 음력발전사에서 제작한 발전판의 모습과 이를 응용한 여러 응용사례를 나타내고 있다. 그림 3의 압전 발전판은 가로, 세로, 두께가 각각 20cm×30cm×3cm에서 60 kg의 체중을 가진 사람이 보행 시 약 0.3~0.5W 급의 발전을 할 수 있다고 한다. 이를 이용하여 사람이 이동이 잦은 통행로나 지하철의 개찰구 등에 설치하여 하루 약 6000Ws 전력을 생산하였다고 하며 차량의 이동하중을 이용하여 동경의 고속도로 및 고시키자쿠라 대교에 설치하여, 하루 약 0.24kW의 전력을 생산할 수 있다고 한다.[4]
이스라엘의 대표적인 에너지 하베스팅 시스템 개발회사인 INNOWATTECH은 도로, 철로, 통행로나 무거운 기계류 하단에 압전체를 이용한 발전모듈을 설치하여 국부적인 발전이나 그리드 전력에 이용이 가능한 발전시스템을 개발하고 있다.[그림 4 참조] 이들이 개발한 압전발전기인 IPEG(Inno
wattech Piezo Electric Generator)를 이용하면 1km의 차로에서 시간당 최대 200kWh를 발전할 수 있다고 하며, 철로에서는 1km 철길에서 시간당 최대 120kW를 발전할 수 있다고 한다.[5] 국내에서는 한국세라믹기술원과 (주)센불의 공동개발을 통해 압력이나 진동을 전기에너지로 변환하는 기술을 응용한 ‘에너지블럭’의 개발을 통해 압전에너지 하베스팅의 상용화를 선도하고 있다. 그림 5에서 보여주는 에너지 블럭은 보행자 도로나 자전거 도로 등에 활용되어 보행인과 자전거의 이동으로 모아둔 전력을 LED 전원으로 활용함으로써 야간용 조명이나 도로안전을 위한 위험경고용 조명 등으로 활용된다고 한다.
나. 마이크로에너지 하베스터
그림 6은 자가발전에 의한 소독기능이 있는 칫솔을 보여준다.[2] 칫솔로 치아를 닦을 때 칫솔을 흔들게 되고 이때 칫솔 내부에 있는 압전소자들이 흔들리며 서로 부딪혀 압전소자가 변형되면 전기가 발생하게 된다. 이 전기를 충전해 두었다가 LED를 점등하거나 열선에 의해서 칫솔을 살균할 수 있다.
미국의 MIT에서 개발 중인 신발을 이용한 에너지 변환 발전 시스템은 신발의 뒤쪽에는 PZT unimorph와 bimorph type의 액츄에이터를 장착하고, 앞쪽에는 polyvinylidine flouride (PVDF)를 장착하여 신발을 신고서 걷거나 달릴 때 발전을 할 수 있도록 한 에너지 하베스팅 시스템으로 표준걸음 시 앞쪽에서 1.3mW, 뒤쪽에서 8.4mW의 자체 전력을 발생시켰다. 이러한 마이크로 에너지 하베스팅 시스템은 전원이 없는 곳에서도 자체적으로 전원 공급을 가능하게 하여 군사 훈련 시 별도의 건전지 없이 이를 활용하여 수개월동안 야외에서 훈련활동을 할 수 있도록 구현한 시스템이다.[6]
한국과학기술 연구원 (KIST)에서는 그림 8에서와 같이 spiral 형태의 MEMS 압전 에너지 하베스터를 고안함으로써, 작은 사이즈에서도 100Hz 대역의 낮은 고유진동수를 가지는 압전 에너지 하베스터를 구현하였다고 한다.[그림 8 참조]

다. 나노에너지 하베스터
나노선 구조의 에너지 하베스팅 소자는 압전효율이 높고 아주 미세한 압력과 진동에도 반응하기 때문에 응용가능성이 매우 높은 장점이 있지만, 발전 출력이 낮아 주전원으로 사용하기 어려운 한계를 가지고 있다. 산화아연 (ZnO)과 같은 압전성과 반도성을 동시에 가지면서도 1차원의 나노선 구조의 성장제어가 비교적 쉽기 때문에 이를 이용한 나노선 기반 에너지 하베스팅에 대한 연구가 최근 많이 진행되고 있다.[7-9]
그림 9는 미국 조지아 공대에서 개발한 ZnO 나노선을 이용한 나노발전소자를 보여주고 있다. 가장 최근 용이한 나노선 어레이를 통한 집적화 기술의 향상으로 높은 전력출력 특성이 가능해지면서 상용화 가능성에 대한 기대가 한창 높아진 상황이다.[10]
나노선 기반의 압전 발전기에 관한 최근의 연구는 대부분 ZnO를 이용하고 있지만, 반도체 산화물인 ZnO (압전전하상수 d=~12pC/N)의 압전특성은 매우 낮아 고출력을 위한 압전 나노선 에너지 하베스팅을 위해서는 보다 높은 압전특성을 가지는 나노선 구조의 새로운 압전소재의 개발이 필요하며 미국의 일리노이 대학의 Ming-Feng Yu 그룹은 BaTiO3 나노와이어를 성장시켜 나노센서에 전원 공급을 위한 압전 나노발전기를 제작하여 출력특성을 평가하였다.[11][그림 10 참조]
미국 캘리포니아 대학 버클리대학의 Liwei Li 교수팀은 PVDF를 이용하여 각종 의류나 직류에 포함될 수 있는 섬유 나노발전기를 생산했다. 이 압전 나노섬유들은 의류 형태로 제작되어 기계적 힘에 의한 변형을 통해 전기 에너지로 전화되어 소형 전자기기에 전력을 제공할 수 있다. 신체의 미세한 움직임만으로도 간단한 전자기기를 구동할 수 있으며 이들 나노섬유들은 유기물질로부터 제작이 가능하여 낮은 단가로 제작이 가능하기 때문에 경제적일 뿐만 아니라 유연하기 때문에 더욱 가치가 있다.[12] [그림 11 참조]

3. 결론
압전 에너지 하베스팅 기술은 환경과 에너지의 중요성에 대한 인식이 부각되면서 최근 관심이 커지게 되었다. 도로, 철로, 활주로 등 각종 교통수단을 통해 이동 시 발생하는 미활용 에너지의 매크로 하베스팅에서부터 음파, 심장박동, 혈압 등 각종 인체활동의 미세한 진동을 이용한 에너지 나노 하베스팅에 이르기까지 압전 세라믹을 이용한 에너지 하베스팅 기술은 각종 전자산업, 자동차, 에너지 산업 등의 전 산업분야에서 다양하게 활용될 것으로 기대된다.
뿐만 아니라, 우리가 미처 인지하지 못하고 소비하고 있는 무한한 진동에너지 자원은 압전 하베스팅 기술을 통한 수많은 아이디어 창출에 의해서 우리 생활에 가치있는 에너지로 재탄생하게 될 것이다.
이를 위해서 고변환효율이 가능한 압전세라믹스 재료에 대한 연구에서부터 이들 소재를 활용한 나노구조체 개발, 응용범위의 확대를 위한 플렉서블 복합소재 개발, 고효율 하베스팅을 위한 최적모듈구조 개발 등 IT, NT, BT 등 각 분야의 융·복합기술을 통해 압전 에너지 하베스팅 기술의 가치는 더욱 커지리라 예상된다.
참고문헌
[1] J. A. Paradiso and T. Starner, ?nergy Scavenging for Mobile and Wireless Electronics? IEEE Pervasive Computing, 4:18-27, 2005.
[2] http://www.yankodesign.com/2009/11/12/do-jiggy-to-get-sterile/
[3] M. Philipose, J. R. Smith, B. Jiang, A. Mamishev, S. Roy and K. Sundara-Rajan, ?attery-Free Wireless Identification and Sensing? IEEE Pervasive Computing, 4: 37-45, 2005.
[4] http://www.soundpower.co.jp
[5] http://www.innowattech.co.il
[6] N. S. Shenck and J. A. Paradiso, ?nergy scavanging with shoe-mounted piezoelectrics? IEEE Macro, Vol. 16, p. 835, 2005.
[7] Z. L. Wang, X. Wang, J. Song, J. Liu, and Y. Gao, ?iezoelectric Nanogenerators for Self-Powered Nanodevice? IEEE CS Press, Vol. 7, p. 49, 2008.
[8] S. Xu, Y. Qin, C. Xu, Y. Wei, R. Yang and Z. L. Wang ?elf-powered nanowire device? Nature Nanotech., Vol. 5, p. 3553, 2010.
[9] M. Y. Choi, D. H. Choi, M. J. Jin, I. S. Kim, S. H. Kim, J. Y. Choi, S. Y. Lee, J. M. Kim, and S. W. Kim, ?echanically Powered . Kim, J. Y. Choi, S.Charge-Generating , J. Y. Chs with Piez.electric ZnO , J.rod? Ad.. Mater., Vol. 21, p. 2185, 2009.
[10] D. H. Choi, M. Y. Choi, W. M. Choi, H. J. Shin, H. K. Park, J. S. Seo, J. B. Park, S. M. Yoon, S. J. Chae, Y. H. Lee, S. W. Kim, J. Y. Choi, S. Y. Lee, and J. M. KiM, ?ully Rollable Transparent Nanogenerators Based on Graphene Electrode? Adv. Mater., Vol. 2, p. 2187, 2010.
[11] Z. Wang, J. Hu, A. P. Suryavanshi, K. Yum and M. F. Yu, ?oltage generation from individual BaTiO3 nanowires under periodic tensile mechanical load? Nano Lett., Vol. 7, p. 2966, 2007.
[12] C. Chang, Van H. Tran, J. Wang, Y. K. Fuh and L. Lin, ?irect-Write Piezoelectric Polymeric Nanogenerator with High Energy Conversion Efficienc? Nano Lett., Vol. 10, p. 726, 2010.