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유체관 내에서 피조(piezzo)전기 에너지 수확하기

전문가 제언: ○ 현대사회에서 인구증가와 산업화에 따라 에너지 수요는 날로 증가하고 있다. 동시에 에너지를 사용하면서 안전(Security)과 효율성(Efficiency)및 지구환경(Environment)을 고려해야 하는 소위 3E효과가 강조되고 있다. 인류는 에너지를 효율적으로 이용하기 위한 노력을 계속해왔다. 태양, 바람, 물, 파도의 힘, 지열 등이 유용한 에너지 자원이다. 자연환경을 오염시키지 않고도 에너지를 효율적으로 활용하는 것이 이 시대를 살아가는 우리의 책무가 되고 있다.

○ 피조전기(piezoelectric)물질은 압력을 가하면 전기가 발생되는 결정질 물질이다. 수정, 로셸염, 전기석, 티탄산바륨(BaTiO3) 등이 잘 알려진 압전체들이다. 그런데 압전체에 전기를 가하면 반대로 압력을 받게 됨으로 스트레인이 생긴다. 그러므로 피조물질의 전기역학적 상호작용을 잘 이용하면 에너지 수확과 동시에 역학적 거동을 감지해 낼 수 있는 센서로도 작용되기 때문에 피조물질의 활용연구가 주목받고 있다.

○ 이 연구는 유체흐름 속에서 피조전기를 생산 수확하여 깊은 유정속에서 센서로도 활용하기 위한 실험연구이다. 유체운동이 수렴-발산되는 유체흐름 채널 속에 놓인 캔티레버 빔의 구조적 진동과 결합하여 피조전기를 발생하는 두 가지 타입의 메커니즘을 제시하였다. 하나는 캔틸레버 자체가 피조전기 바이모르프(bimorph) 타입이고 또 하나는 캔틸레버가 한 쌍의 유연장력의 작동기 사이에 마운트되는 타입이다. 두 구조에서 다 같이 유체의 흐름이 20L/min일 때 20mW의 전력을 생산할 수 있음을 보고하였다.

○ 국내에서도 피조전기를 위한 물질연구와 활용연구는 대학과 연구소에서 활발하게 진행되고 있다. 저전력 압전발전기에 대한 연구가 중앙대(김혜중), 압전세라믹을 이용한 회전센서 연구가 경북대(류혜옥)에서, 카이스트의 노광수 연구팀이 유연압전체 PVDF 연구를 발표했다. 특히 동국대의 김형수 연구팀이 발표한 ‘Piezoekelectric energy harvesting’ 논문이 이 연구에서 중요한 참고자료로 활용되었다. 앞으로 3E 에너지 효과를 극대화할 수 있는 새로운 압전발전 시스템이 주목받게 될 것으로 기대된다.

저자: Hyeong Jae Lee, Stewart Sherrit, Luis Phillipe Tosi , Phillip Walkemeyer and Tim Colonius
자료유형: 니즈학술정보