분야
hwp2. 에너지 하베스팅이란 ?
3. 에너지 하베스팅의 필요성
4. 압전효과를 이용한 에너지 하베스팅
압전효과?
진동으로 전기를 만드는 작은 발전기
생활속의 압전 효과
5. 에너지 하베스팅의 원리
6. 나노기술
나노발전기
7. 관련기사
8. 에너지 하베스팅이 적용된 간단한 예
무선 통신 기술이 발달함에 따라 유비쿼터스 센서 네트워크를 통한 주위환경을 감지 모니터 하는 것이 큰 관심사로 떠오르고 있다. 유비쿼터스 센서 네트워크를 구축함에 있어서 임의의 넓은 장소에 배치될 센서노드에 전선을 연결하거나 주기적으로 배터리를 교환하면서 전원을 공급하는 것은 매우 어렵다. 따라서 센서노드를 효과적으로 동작하기 위해서는 센서와 무선 송신부를 외부로부터 전선연결이나 배터리 교환 없이 자체 발생된 전원에 의해 동작될 수 있어야 한다. 이에따라 버려지고 있는 환경에너지로부터 쓸모있는 전기에너지를 얻는 에너지하베스팅에 관한 연구가 많이 이루어 지고 있다
압전체는 기계적 진동을 전기 에너지로 변환하는 특성을 가지고 있어 센서, 마이크로폰등에 응용되어 왔으며, 또한 전기장이 인가되면 변형이 발생하는 특징을 이용하여 엑츄에이터, 모터등에 이용되고 있다. 대표적인 세라믹 압전재료는 Pb(ZrTi)O3가 있으며 폴리머 압전재료는 PVDF가 있다. 일반적으로 기계적 에너지를 전기에너지로 변환하는 효율은 전기-기계 결합계수(k)에 비례하며, PZT 전기-기계 결합계수는 k=0.5 로 PVDF의 k=0.2보다 크다. 그러나 세라믹의 경우 폴리머에 비해 단단하여 적은 진동에서 에너지를 발생할 수 없으며, 또한 충격에 약하여 큰변형에는 사용할수 없는 단점이 있다.
따라서, 세라믹의 깨짐을 방지하고 적은진동에서도 큰변위를 얻기 위해 세라믹을 유연한 기판에 붙여 만든 캔딜레버형이 일반적으로 에너지 하베스팅에 이용되고 있다.
2. 에너지 하베스팅이란 ?
에너지 하비스팅 (Energy Harvesting)은 바람, 파도, 태양광, 온도변화, 진동 등 주변환경으로부터 에너지를 얻어내는 에너지 획득방식을 일컫는다. 자연적으로 흩어져 사라지는 에너지를 취한다는 의미에서 에너지 스카벤징(Energy Scavenging)이라고 불린다. 에너지 하비스팅이란 용어를 사용한지는 그리 오래되지 않았지만, 고대로부터 인류가 생각하고 사용하였던 우리에게 친숙한 에너지 획득방식이다. 아직 연구의 저변은 넓지 못하지만 다양한 방법으로 연구가 진행되고 있음을 확인하였고, 본고에서는 주로 무선센서노드의 적용을 언급하였지만 압전체를 이용한 에너지하비스팅 기술의 적용은 무궁 무진할 것으로 생각된다.
3. 에너지 하베스팅의 필요성
한동안 인터넷, 이동전화 등 특정 경로에 국한되던 정보 공유가 컴퓨터와 네트워크 연결에 상관없이 실생활 전반으로 확산되는 세상이 됐다. 유비쿼터스 시대가 다가오고 있다. 이런 유비쿼터스 세상의 핵심은 바로 전자식별(RFID)태그. 우리가 입고 있는 옷이나 신발에서부터 채소나 쓰레기에 이르기까지 모든 사물에 붙어 있는 전자태그는 곳곳에 설치된 메인 시스템과 정보를 주고받으며 인간의 삶을 보다 편리하게 만들어준다. 하지만 이런 유비쿼터스 세상이 실현되려면 전자태그에 사용되는 전원 공급 문제가 먼저 해결돼야 한다. 각각의 전자태그가 전기선의 연결 없이 독자적으로 발전 전원을 가지고 구동해야 하기 때문이다. 이런 문제를 해결하기 위해 최근 각광받는 분야가 압전체를 이용한 에너지 하베스팅(harvesting)이다. 압전 세라믹을 이용한 초소형 발전기가 작은 진동을 전기에너지로 바꿔주는 마술을 부리는 것이다.
최근에는 이동 정보 통신 기술 및 전자기기의 소형화 기술의 급속한 발전에 힘입어 소형 모바일 컴퓨팅 기기의 보급이 비약적으로 증가하고 있다. 특히 입는 컴퓨터의 등장으로 이동 전자 통신기기의 개념은 새로운 국면을 맞고 있으며 인간의 생활패턴을 크게 바꾸어 놓을것으로 예상된다. 현재까지 이러한 모바일 기기의 전력은 주로 2차 전지로부터 공급되고 있다. 비록 전자기기의 저전력 소모화가 진행되고 있기는 하지만 하나의 기기 내에 다양한 기능이 추가 통합되고 있기 때문에 전력소모는 지속적으로 늘어나고 있는 추세이다. 2차전지 재료 기술의 발전으로 용량은 지속적으로 증가되고 있지만 전력수요를 충분히 따라가지 못하고 있는 실정이다. 따라서 기존의 전지를 보완하거나 대체할 수 있는 신개념 전원공급 장치로서 에너지 하비스팅 기술을 개발하여 적용할 필요가 있다.
모바일 컴퓨팅 기기 및 입는 컴퓨터의 경우 인체의 움직임으로부터 에너지를 취하여 전원을 공급하는 방법을 고려해 볼 수 있다. 실제로 숨쉬기, 체온, 혈액순환, 걷기,팔운동, 타이핑등 인간의 움직임으로부터 상당히 큰 에너지가 발생하기 때문에 이를 이용하고자 하는 시도가 있다. 여러 인체 움직임 중에 걷기가 가장 큰 에너지를 발생하는 것으로 알려져 있는데 신발 밑창에 압전체를 장착하여 신발 뒷굽이 지면에 닿을때 가해지는 압전체의 변형에 의해 전력을 생산할 수 있다.
