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1 LG Global Challenger 압젂에너지하베스팅 : 미세진동을젂기에너지로 P I E Z O E L E C T R I C E N E R G Y H A R V E S T I N G LG 글로벌챌린저휴먼팩토리 신선혜김지원구현정오유진 1

2 프롤로그 지금당신의삶은에너지없이돌아갈수있을까? 바로옆에있는핸드폰부터시작해서전등, 컴퓨터, 자동차, 냉장고등우리주변에는에너지를필요로하는것들뿐이다. 현대사회와에너지는떼어놓을수없는관계가되었다. 사람들은에너지를창출하기위해서수많은노력들을하고있다. 화석에너지, 원자력에너지부터태양력, 수력, 풍력에너지까지많은에너지들이생산되고있다. 그런데조금만관점을달리해보자. 에너지는 생산 을통해서만얻어질수있는것인가? 우리가지금사용하고있는에너지에서다시에너지를얻을수있다면믿을수있겠는가? 에너지는 생산 할수있을뿐만아니라 수확 할수도있다. 세상의모든움직이는것으로부터에너지를수확하자 는새로운패러다임인 에너지하베스팅. 특히나진동이있는곳이라면어디서든전기에너지를생산할수있는 압전에너지하베스팅 은에너지위기에처해있는현대사회에중요한의미를가질것이다. 지금뛰고있는심장에서에너지가생산되는사회가다가오고있다. 2

3 INDEX 1 들어가기 압젂에너지하베스팅에대한개념소개와필요성 2 탐방속으로 국내탐방을통한문제점발견과해외탐방을통해이에대한해결책발견 3 결론도출 압젂에너지하베스팅의한국도입을위한시스템구상및구체적방안제시 3

4 1 들어가기 01 에너지하베스팅기본개념 02 압젂에너지하베스팅기본개념 03 젂세계에너지소비추세 04 한국의에너지실태 05 한국이압젂에너지하베스팅에주목해야하는이유 06 휴먼팩토리의목표 4

5 1. 에너지하베스팅 의기본개념 에너지하베스팅이란? 태양광, 진동, 열, 풍력등과같이자연적인에너지원으로부터발생하는에너지를수확하여유용한전기에너지로사용할수있도록하는기술 Vibr ation Wind Touch Energy Harvesting Moving 에너지하베스팅방법에는크게태양광 (Photovoltaic) 발전, 압전 (Piezoelectric) 발전, 전자기 (Electromagnetic) 발전, 열전 (Thermoelectric) 발전등이있다. 특히, 일상생활에서불필요하게소모되는에너지원 ( 열, 신체에너지등 ) 을활용해효과적으로에너지를생산할수있다. 나노기술이발전함에따라기존에버려졌던미세한에너지까지도수확이가능해져, 더욱관심이증가하고있다. 에너지하베스팅의예시 # 실제사용예시 > 플레이펌프 # : 놀이터에있는빙빙이를돌리면물이올라와물탱크에저장된다. 물부족을일부해결하는수단으로아이들의노는힘을수확했다. : 전력을끌어올수없는아프리카등지에서활용되고있다. 5

6 2. 압전에너지하베스팅 의기본개념 압전효과란? 압전체 # 에진동, 충격등의기계적변형을가하면전기에너지가발생하는효과 결정구조를가진압전체에인장력 (Tension) 이나압축력 (Compression) 을가하면, 이힘에의해결정구조가찌그러지면서 + 이온과 - 이온의상대적인위치가변화한다. 이에따라전기쌍극자 # 크기 ( 전기쌍극자모멘트 ) 의변화가나타나며압전체의양쪽단면사이에전기장 (Electric Field) # 이형성된다. 이와같은원리를통해압전소자에연결된전기회로에는양또는음의전기가발생한다. 라이터에불을붙이는것이압전효과의대표적인예이다. < 압전효과의원리 > # 압전체란? : 압전현상을나타내는물질. 대표적으로티탄산바륨 (BaTiO3), 산화아연 (ZnO) 등이있다. # 전기쌍극자란? : 물질은 (-) 전하를띤전자와 (+) 를띤핵이평형을이루고전기적으로중성을이루고있다. 그러나총 (-) 전하와총 (+) 전하의위치가일치하지않을경우나, (-) 전하를띤물질과 (+) 전하를띤물질이일정한거리를두고떨어져있는상태를전기쌍극자라고한다. 그크기를보통전기쌍극자모멘트 (electric dipole moment) 로나타낸다. # 전기장이란? 전하로인한전기력이미치는공간. 전기를띤전하나시간에따라변하는자기장주위의공간에는전기장이형성된다. 이전기장안에서하전된물체는전기력을받게된다. ( 사진출처 : creationscience 홈페이지 ) ( 출처 : 네이버지식백과 ) 6

7 2. 압전에너지하베스팅 의기본개념 압전에너지하베스팅 (Piezoelectric Energy harvesting) 이란? 에어컨진동 걸음 심장박동 Piezoelectric Energy Harvesting 혈류 압전효과를이용하여주위에버려지는힘이나압력, 진동과같은기계적에너지를사용가능한전기에너지로변환하는것이다. 기존의압전효과응용장치 ( 라이터의점화기, 센서등 ) 는순간적으로발생한전기에너지를감지하여이용했다. 압전에너지하베스팅은이것을축적하여언제든지쓸수있도록만든다는점에서기존의사용과는다르다. 압전에너지하베스팅의예시 ( 출처 : Enocean) 사람들이밟을때마다전기가생산되는바닥판으로, 생산된전기는오른쪽과같은상황에이용될수있다. 7

8 3. 전세계에너지소비추세 에너지소비증가 < 세계에너지소비량현황 > # # 그래프출처 : Financial Sense ( alsense.com) 지난 200 년간전세계적으로소비하는에너지의양은폭발적으로증가했다. 또한앞으로도인간이소비하는에너지의양은계속해서증가할것이다. 미국에너지정보청 (EIA) 이제출한 2013 년국제에너지전망 (World Energy Outlook 2013) 에따르면, 세계에너지소비량은 2040 년에는현재보다 56% 상승할것이라고한다. 이와같이인간이소비하는에너지의양은앞으로도계속증가할것이다. 그러나우리가사용할수있는화석에너지의양은한정되어있다. 게다가원자력에너지는전세계적으로안전성에대해의심을받고있다. 이러한상황에서, 친환경에너지에대한요구가높아지고있다. 그중에서도특히버려지는에너지를수확하여사용하는에너지하베스팅기술이각광받고있다. # }# 이미미국과유럽, 일본을중심으로연구가활발히진행되며, 기술들이제품화되는단계다. 8

9 4. 한국의에너지실태 한국의에너지실태 한국의상황도전세계적인추세와다르지않다. 전력거래소에서발간한 제 6 차전력수급기본계획 에따르면, 2011 년말기준국내총전력소비량은 455,070GWh 으로세계 8 위규모를기록했다. 이는 2002 년 278,451GWh 대비 10 년간 63%(176,619GWh) 증가한것이다. 이렇게한국의높은전력수요와예상보다빠른수요증가로전력예비율이급락하고수급불안이발생하는등문제가발생하기도했다. 이러한에너지문제에대처하기위해한국은신재생에너지인태양광발전과풍력발전에꾸준히투자하며그설비용량을늘리고있다. 그러나발전비용과한국에맞지않는환경여건등여러가지문제점으로인해만족할만한대안이되지못하고있다. 200, , , , , ,000 80,000 60,000 40,000 20,000 0 <2013 년도전력거래량 > # ( 단위 : GWh) 186, , ,198 7,371 14,757 3,561 1,144 1,304 원자력 유연탄 국내탄 LNG 유류 수력 풍력 태양광 # 그래프출처 : 전력거래소 2013 전력시장통계 2013 년도전력거래량을살펴보아도풍력과태양광으로발전된전력량은각각 0.2%, 0.3% 로미미한실정이다. 9

10 4. 한국의에너지실태 한국의신재생에너지실태 발전비용이높고, 설치비용대비효과가낮다. < 태양광발전 > 2008 년한국건축설비학회논문에따르면태양광발전의현가환산투자회수기간은약 15~18 년까지걸리기도한다. 게다가태양광모듈의최대효율도 16% 내외로투자가격대비낮은수치이다. < 풍력발전 > 아직설치비용, 유지비용대비얻는편익이높지않다. 전력전자학술대회논문에따르면풍력발전의회수기간이 10~20 년이다. 환경여건의영향을많이받는다 < 태양광발전 > 태양광발전은햇빛과그햇빛을받는면적을필요로한다. 그러나우리나라는장마철이길어햇빛을받을수없는시간이많고, 인구밀도가높고땅값이비싸태양광발전을할면적이충분하지못하다. < 풍력발전 > 우리나라는바람의방향이자주바뀌며, 풍력발전설치가능지역의한계로풍력발전을할수있는면적이적다. 또한풍력발전기의자연훼손문제로규제가있어풍력발전에한계가있다. 이처럼태양광과풍력발전은아직경제성이갖추어지지않았다. 또한우리나라의환경조건과는잘맞지않다는단점도있다. } 10

11 5. 한국이압전에너지하베스팅에주목해야하는이유 대체에너지를보완하는압전에너지하베스팅 태양광, 풍력발전과는달리압전에너지하베스팅은주변환경의여건에영향을덜받는다. 진동이있거나압력이나힘이작용하는곳, 물의흐름이있거나미세한바람이부는곳이면어디든지사용될수있다. 태양광이나풍력발전을할수없는상황에서도움직임만있는곳이면압전에너지하베스팅으로발전을할수있는것이다. 그러므로압전에너지하베스팅은다른친환경에너지가발전하지못하는부분을채울수있다. 즉, 압전에너지하베스팅은다른친환경에너지와공존하며그것들을보완할수있는기술이다. 현대사회에더욱잘적용 현대사회에선사무실, 집, 학교등실내에서생활하는시간이길어지고있다. 이때에압전에너지하베스팅은더욱유용하다. 특히압전에너지하베스팅은에어컨, 컴퓨터, 전자레인지, 세탁기등의진동과소음. 나아가사람의신체움직임등실내에서발생하는여러에너지들을효과적으로수확하여사용할수있다. 11

12 5. 한국이압전에너지하베스팅에주목해야하는이유 사람이에너지다 : 높은인구밀도 < 인구밀도 (2010)> # ( 단위 : 인구 /km^2) 중국 미국 아프리카 아시아 유럽 세계 한국 # 그래프출처 : United Nations Population Division 압전에너지하베스팅을이용하면사람의신체움직임에서도에너지를수확할수있다. 사람이걷는힘, 심장박동, 혈류, 근육의움직임등거의모든신체움직임이에너지원이될수있다. 한국은세계평균에비해약 9 배가넘는인구밀도를가지고있으며, 중국, 미국등과비교해도압도적으로높은인구밀도를가지고있다. 이런점에서인구밀도가높은한국은압전에너지하베스팅의연구및적용에매우적합한여건을가지고있다고할수있다. 미래의유망기술 2009 년 MIT 가선정한 10 대유망기술 2010 년미국의과학잡지 Popular Science 가선정한세계를뒤흔들 45 가지혁신기술 IDTechEx 에의하면압전발전은 2018 년까지 1 억 4 천 500 만달러, 2022 년까지 6 억 6 천 700 만달러의시장이형성될것으로전망된다. 12

13 6. 휴먼팩토리의목표 앞에서의근거를바탕으로보면, 압전에너지하베스팅은전세계어디보다 한국 에더욱잘적용될수있는기술이다. 하지만현재한국에서압전에너지하베스팅의적용은미미한실정이다. 따라서우리는국내및해외의기관들을방문하여, 한국에서의문제점을분석하고그해결책을제시할것이다. 목표설정 압전에너지하베스팅의기술과한국의상황을접목하여, 한국에서실제적으로활용이가능하도록만드는것. 궁극적으로압전에너지하베스팅의기술과한국의상황을접목하여, 한국에서실제적으로활용가능한방안을만든다. 즉기술적접근뿐만아니라사회, 시스템적인접근을통해, 압전에너지하베스팅을한국에도입시키는것이목표이다. 압전기술자체가미래의기술로서주목을받고있는만큼, 압전기술이가장효과적으로적용될만한구체적인방안을설립할것이다. 해결과정 국내탐방 문제점발견 해외탐방 개선안제안 13

14 2 탐방속으로 01 국내탐방 02 국내연구의문제점 03 문제해결아이디어 04 탐방국가선정 _ 미국 05 해외탐방 14

15 국내탐방기관소개 [ 성균관대학교신소재공학과김상우교수 ] 투명한나노제너레이터와산화아연계압전물질을이용해에너지하베스팅분야를연구한다. 연구중인응용분야로유연한자가구동센서, 완전히굽혀질수있는모바일디스플레이등이있다. [ 서울대학교융합과학기술원김연상교수 ] Self-powered Flexible Electronic Systems 을개발하는것을목표로고성능나노물질과 soft electronic 기술을연구중이다. 대표적으로얇은필름형태의배터리, 자가충전되는나노제너레이터등을연구한다. [ 카이스트이건재교수연구팀 ] 융합소재공정연구실에서는나노패터닝, 고분자복합소재, 유기소자, Printing Electronics 를주로연구한다. 최근차세대모바일기기에응용될산화물반도체기반투명박막트랜지스터제작기술을개발했다. [ 한국세라믹기술원 ] 2000 년정부출연기관으로출범한국내세라믹전문연구기관으로세라믹소재와세라믹종합기술을연구하고개발한다. [ 아이블포토닉스 (IBULE PHOTONICS)] 압전소자의한종류인신소재인 PMN-PT 단결정을성장하고가공하여응용소자를생산하는기업이다. 의료용초음파진단기용탐촉자, 고성능의이동통신용부품, 압전액츄에이터등에응용하고있다. 15

16 1. 국내탐방 압전에너지하베스팅의현재상황과문제점은무엇인가요? INTERVIEW 김상우교수성균관대신소재공학과 압전에너지하베스팅은현재작은단위분야에적용되고있습니다. 최근엔웨어러블디바이스와포터블디바이스로초점을맞추고있습니다. 앞으로는점점실내에서지내는시간이늘어날것입니다. 그런데실내에서는태양에너지를이용할수없기때문에, 모을수있는가장큰에너지가기계적에너지입니다. 그래서실내의진동, 사람의움직임, 음파등을모아디바이스를구동시키는것을목표로삼고있습니다. 도로에적용시켜불을켠다거나하는연구는예전에는진행이되었지만압전하베스터는출력이그리높지않고, 세라믹계열이라장기간힘을가하면깨지기가쉽다는점에서그와같은대량발전에는적합하지않습니다.. 최근엔그렇게큰출력량이요구되는것들은트라이보 # 를적용시킵니다. 전기출력량측면에서보자면수백 micro watt 정도인압전소자보다는트라이보가좋습니다. 하지만압전도압전만의장점이있습니다. #Triboelectric energy harvesting : 마찰전기를이용해에너지를생산한다. 두개의물질을마찰시키면발생하는열에의해서, 한쪽방향에서한쪽방향으로전자가이동한다. ( 두물질의일함수차이에따라일함수가작은물질에서큰물질쪽으로전자가이동하는것이다.) # 자세히알아보기 _ 압젂과트라이보의차이점 < 가해진힘에따른전압출력그래프개형 > 빨강 : 트라이보소자 (Triboelectric) 파랑 : 압전소자 (Piezoelectirc) 압전효과로에너지생산시, 가해진힘과그 ouput 이거의비례해그자체로센서로사용될수있다. 반면트라이보는이와는달리어느정도이상의힘을받으면 output 이일정해지는 saturation 현상이나타나정확성을요구하는곳에는사용하지못한다. 즉트라이보는처음의출력량은클지모르나그이후의변화를측정하기는어렵다. 16

17 1. 국내탐방 압전에너지하베스팅의현재상황과문제점은무엇인가요? INTERVIEW 김연상교수서울대융합과학기술원 최근엔압전에너지하베스팅의트렌드가대량발전에서소량발전으로이동하고있습니다. 도로밑에압전소자를넣어차가움직이며주는진동으로에너지를생산하려던실험은사실상용화로이어지지못했습니다. 그이유는피로누적에의해서압전소자가깨지기때문입니다. 현재웨어러블디바이스와센서를주된응용분야로예측하고있습니다. 특히전기가공급되지않는산이나외딴곳에적용될수있을것입니다. 사실상압전에너지하베스팅의상용화는어렵다고봅니다. 압전에너지하베스팅을통해생산비용을보상하고남을만큼전기에너지를많이만들기가어렵습니다. 즉, 효율이충분히높지못합니다. 더군다나압전소자가격이높은상황에서경제성도떨어집니다. # 자세히알아보기 _ 압젂에너지하베스팅의가격 압전에너지하베스팅은실제로설치되고적용된사례가드물어가격을정확히따지기어렵다. 그러나 2012 년국내에서최초로압전에너지하베스터가공공장소 ( 부산서면역 ) 에도입됐다. 이를기준으로가격을비교해보자. 서면역에설치된에너지블록 # 설치가격 2 억 5 천만원출처 : 티오션사 ( 하베스터 250 개및시공비를포함한직접비 ) 발전량 연간약 700kW 출처 : 부산교통공사 ( 일일 10 만명이하베스터를모두밟을경우 ) 한국의가정용전기요금이 원 /KWh 인것을고려하면, 에너지하베스터의사용기간을장담할순없지만그럼에도최소수십배더비싸다. # 에너지블록 : 대량발전보다는시민참여와미래기술의가능성을판단하려는목적으로설치되었다. 발전한전기로는열차운행정보모니터를켜는데활용했다. # 사진출처 : 부산교통공사 17

18 1. 국내탐방 압전에너지하베스팅의주요쟁점에대해질문했습니다 시장규모및가격 김창일연구원한국세라믹기술원 Q. 기술의상용화정도는어떠한가요? 압전에너지하베스팅은경제적인측면에서문제가많습니다. 약 1000 원정도의수은건전지가하고있는일을압전하베스터로대체하기위해서는가격경쟁력이확보되어야할것입니다. 또한상용화를고려할때 시장 이형성되어있는가도매우중요합니다. 하지만현재한국에는큰시장이확보되어있지않습니다. Q. 현재압전에너지하베스팅에대한수요는어느정도있나요? 수요는거의없는편입니다. 엄밀히말하면현재상용화는어느정도되어있지만에너지하베스팅에대한수요가너무적어이윤이많이나지않는상황입니다. 연계연구 Q. 생물학과연계하여어떤연구를하셨나요? 압전하베스터와쥐의심장을연결한후, 쥐의심장파형을관찰했습니다. 압전하베스터로생산된전력이쥐의심장에영향을줄수있다는것을알아본실험이었습니다. Q. 압전소자에납이사용되었는데, 인체에해롭지는않나요? 외부의 cell 에선납이있는 PZT 를사용해도똑같이세포가잘자라는게발견되었습니다. 하지만인체내에서는다를수있는데, 이런이슈들에대해서는의대와협력연구가필요합니다. Q. 현재한국의연계연구상황은어떤가요? 실제로인체내에서기술이응용되려면생명관련연구기관과의협력이있어야합니다. 하지만압전하베스팅분야가생긴지 10 년째라생물관련학과에선아직관심이부족하고모르는사람이대부분입니다. 현재적용이쉽지만은않습니다. 이건재교수연구팀카이스트신소재공학과 18

19 1. 국내탐방 압전에너지하베스팅의주요쟁점에대해질문했습니다 센서로서의압전소자현황 Q. 압전소자를응용해어떤제품을만드나요? 이상구대표아이블 (IBULE) 포토닉스 의료와군사분야에서사용되는제품을제작하고있습니다. 의료용으로초음파, 군사용으로잠수함, 어뢰감지센서등을개발중입니다. 압전소자의다소높은가격에도불구하고이러한응용제품에대한수요는존재하고앞으로도더욱많아질것으로예측합니다. Q. 압전소자의특성은무엇인가요? 압전소자를사용해제작한센서는감도가좋고감지할수있는범위가굉장히넓은것이장점입니다. 의료분야에서는이러한정확성과고성능으로병을더잘진단 / 치료할수있어다소높은가격을주고라도제품을사용하고싶어합니다. # 자세히알아보기 _PMN-PT PMN-PT 는릴랙서 (relaxor) 인마그네슘니오브산연 (PMN) 과압전체인티탄산연 (PT) 의고용체단결정이다. 압전재료로서기존에주류로사용되어온 PZT( 지르콘티탄산연 ) 와비교해, 더욱뛰어난압전특성을보인다. 최근 PMN-PT 가개발되며, 효율이높아져압전재료의응용분야가더욱넓어졌다. 한국에서는아이블과세라콤두회사만이 PMN-PT 를공급하고있다. # # 위사실을통해소자자체의연구를통해발전량을더욱늘릴수있다는것을암수있다. # 전기기계결합계수 (K33) - 전기에너지 기계적에너지간의변환효율을나타내는계수 - 결합계수가높을수록소형화와저전력소비가가능함. # 압전계수 (d33, d31) - 전계 (V/m) 를인가할때변위하는정도혹은그반대 - 압전상수가클수록미소변위제어가가능함. # 자료출처 : 아이블홈페이지 19

20 국내탐방정리 압전에너지하베스팅은 소량발전을트렌드로한다. - 이는낮은발전량때문이다. - 전력 : 수백 microwatt / 전류 : 수 microa 한국에서상용화는미미한수준이다. - 높은가격으로인해경제성이떨어진다. - 사람들의수요또한적다. 다른분야와연계연구가필요하다. - 생물학, 저장매체, 회로등 - 하지만현실적으로합동연구가힘들다. 압전만이적용가능한분야가있다. - 압전소자는정확한감지가가능하다. - 센서, 인체내삽입등압전만이활용될수있는분야가있다. 카이스트서울대학교성균관대한국세라믹기술원 20

21 2. 국내압전에너지하베스팅의문제점 국내의관련기관을방문하며현재한국의압전에너지하베스팅의문제점을찾아보았다. 높은가격 낮은발전량 기술의홍보부족 높은가격 압전소자는현재생산이적어, 단가가높은편이다. 특히 PMN-PT 와같은경우 PZT 보다훨씬효율이좋음에도불구하고, 대량생산의단계에이르지못하고있다. 이는압전에너지하베스팅자체의높은가격으로이어진다. 낮은발전량 또한압전하베스터는생산할수있는전류랑이낮아발전량이낮다. 몇몇연구실에서효율을높이는데주력하고있지만다른대체에너지들에비해아직부족하다. 기술의홍보부족 압전에너지하베스팅기술이한국에도입된지 10 년도채되지않았다. 그래서현재기술의홍보가부족한실정이다. 압전하베스팅기술자체의홍보는연계연구및수요를증대시켜, 압전연구자체의질적향상으로연결될수있다. 21

22 3. 문제해결아이디어 우리의가장큰목표는실제적으로압전에너지하베스팅을한국에적용하는것이다. 하지만앞에서의문제점때문에현재상용화가어려운실정이다. 따라서우리는이러한점을해결하기위한방안을모색했다. 가격 : 압전만의가치발견및시장확보 압전소자가갖는장점을활용해비싼가격에도불구하고적용이꼭필요한분야를찾는다. 기존의큰시장과융합하거나새로운시장을개척하여압전만의시장을확보한다. 이는생산량을늘려단가하락으로이어질수있다. 발전량 : 저전력기기와접목및발전량증대 적은발전량으로도적용가능한저전력디바이스에응용한다. 혹은압전소자관련기술을통해발전량을높인다. 특히압전물질, 압전소자의배열방식등을달리해더높은출력을얻는다. 기술홍보 : 다양한응용분야알림및정책시행 압전이적용될수있는다양한응용분야를알린다. 정부의주도로대규모로도입이가능한효율적정책을실행한다. 22

23 4. 탐방국가선정 우리는현재국내압전에너지하베스팅의문제점을발견하고해결의실마리를찾았다. 이에대한실질적적용방안을찾기위해미국으로탐방을떠난다. } 왜미국인가? } 세계트렌드의선두주자미래유비쿼터스센서네트워크, 웨어러블컴퓨터를위한소형화되고고효율이며유연한압전소자를개발하며연구의트렌드를이끌고있다. 상용화를위한노력여러기업이압전물질을이용한제품제작및에너지하베스팅회로제작과같은상용화단계에주력하고있다. 응용기술개척기존의군수용발전장치, 의료장치보조전원외에착용가능한전자제품, 건축구조물진단용센서, 로봇등차세대전자장치전원의미래응용분야에대한연구가활발하다. 새로운기술의적극적홍보압전나노선을이용한기술을 10 대유망기술로선정하는등, 새로운기술홍보에압장선다. 23

24 5. 해외탐방 1 조지아텍 (Goergia Tech)_Z.L.Wang Research Group 가격발전량기술홍보 기관소개 나노발전기 (nanogenerator) # 연구에있어서선두에서있는, 전세계적으로가장유명한그룹이다. 나노발전기의개발뿐만아니라핸드폰, 자동차, 신발등다양한분야에이를적용시키는연구또한활발하다. # 나노발전기 : 기계적움직임, 열등의물리적변화를전기로바꾸어주는초소형발전기. 대표적인것이압전에너지하베스터이다. ( 출처 : 위키피디아 ) 방문목적 압전에너지하베스팅을이용한연구들을살펴보고상용화가능성을알아본다. 주요탐방내용 압전에너지하베스팅연구의트랜드 지금까지연구의트랜드는전압을높이는방향이었지만이제는전류를높이는방향이다. 전압은이미충분히확보되고있기때문이다. 또한가지중요한트랜드는수확한에너지를저장하는스토리지 (Storage) 기술이다. 그리고압전하베스터가실제로적용될디바이스 (Device) 분야도중요하다. 에너지하베스팅, 스토리지, 디바이스, 이세가지가앞으로의큰트랜드가될것이다. 24

25 5. 해외탐방 1 조지아텍 (Goergia Tech)_Z.L.Wang Research Group 진동에너지로배터리가충전되는핸드폰연구 간단한진동 (Vibration) 으로핸드폰전원을켤정도의에너지를모을수있다. 현재휴대폰의여러위치에압전하베스터를부착하는실험이진행중이다. 그러나저장기술이아직부족해상용화가어려운상황이다. 현재리튬 2 차전지의분리막에는이온이통과할수있는구멍이있는데, 이구멍을막아서압전하베스터로생산된에너지를저장하는연구가이그룹에서진행중이다. ( 리튬 2 차전지의구성 #.) # 사진출처 : 로케트전기홈페이지 # 자세히알아보기 _ 압젂에너지하베스팅충젂핸드폰 Q, 사람이톡톡액정을터치하는힘은일정하지않아서수확하기어렵지않나요? A. 힘이반드시일정할필요는없다. 빠르고강한힘을가할수록많은에너지가나오지만, 충격만줘도에너지를얻을수있다. 단효율은떨어진다. 그래서터치외에휴대폰의진동또는홈버튼등의버튼을누르는기계적에너지를수확하는방법도생각할수있다. Q. 압전물질이마이크로줄단위의발전량을보여휴대폰에적용되기어렵지않나요? A. PVDF # 를휴대폰배터리에연결하고충격을가해주면전원이들어와서자동으로켜진다. 실험결과 10 초정도면핸드폰이켜졌다. #PZT 와 PVDF : 압전물질로가장널리쓰이는것중의하나가 PZT. 그러나세라믹계열인 PZT 는쉽게부서지는문제가있다. 반면폴리머계열인 PVDF (Poly-Vinylidene Di-Fluoride) 고분자소재는유연성이커서쉽게부서지지않는다. 25

26 5. 해외탐방 1 조지아텍 (Goergia Tech)_Z.L.Wang Research Group 스토리지 (storage) 가잘안되는이유 스토리지분야의연구가많이활성화되지않았다는것이가장큰문제다. 이때까지는에너지를어떻게하베스팅하느냐에더많은초점을기울였기때문에수확된에너지를저장하는스토리지기술은아직연구가시작되는단계이다. # 자세히알아보기 _ 압젂에너지하베스팅의구성 압전에너지하베스터 # 는크게 3 가지부분으로이루어져있다 아직까진 2 에대한연구가주를이뤘으나, 실질적으로사용하기위해선 3 의연구도같이이루어져야한다. # 압전하베스터 -1 외부의기계적에너지를압전재료에전달 -2 전달된기계적에너지를압전재료를이용하여전기에너지로변환 -3 변환된에너지를전기적인회로를통하여 2 차전지등에축전 1. 하베스팅 만이아니라스토리지와디바이스분야가균형있게발전해야함. - 에너지를모으는것뿐만아니라, 모은에너지를저장하고, 적절한곳에사용할수있어야한다. 2. 진동자체를이용하여핸드폰충전가능 - 스크린터치, 휴대폰진동모드, 홈버튼누를때발생하는힘이용 26

27 5. 해외탐방 2 일리노이대학교 _ Rogers Research Group 가격발전량기술홍보 기관소개 재료공학과화학, 생체공학, 컴퓨터공학분야가연계된연구를활발히하고있다. 소와양을대상으로압전에너지하베스팅으로구동되는심장박동기 # 실험을했다. 방문목적 에너지하베스팅을이용한심장박동기연구의내용과기술, 그리고의료분야와협력해실험이수행될수있었던배경을알아본다. 주요탐방내용 압전에너지하베스팅과관련한인공심장박동기연구 Rogers 연구실에서는압전계수 ( 상수 ) # 가크고제작하기쉬운 PZT 를이용해심장박동기를만들었다. 구성은크게하베스터, 정류기, 배터리세부분이다. 하베스터는심장박동을통해교류를만들고, 정류기는이를직류로바꾼다. 정류기를지난전기는배터리에저장된다. # 심장박동기 (Pacemaekr) 란? : 심장의동방결절이나신경에문제가생기면심장박동이느리거나불규칙해질수있다. 이를감지하여규칙적이고일정하게박동하도록전기자극을주는장치가인공심장박동기이다. # 압전계수 (d) : d=p/σ 가해진응력 (σ) 에대한분극 (P) 변화. 주어진응력에서압전계수가클수록더높은전력을얻을수있다. 27

28 5. 해외탐방 2 일리노이대학교 _ Rogers Research Group # 자세히알아보기 _ 인공심장박동기 (Pacemaker) 실험 심장박동기의효율을높이기위해심장박동기의위치, 방향에있어최적조건을찾는실험이진행되었다. # 에너지하베스터부착위치 < 방향, 위치실험사진및결과 > > 심장위치에따른전압출력측정실험 : 우심방 (C), 좌심방 (D), 일반심벽 (E) 중우심실에서출력량이최대 > 압전에너지하베스터의각도에따른전압출력측정실험 : 0 도, 45 도, 90 도중 45 도각도로부착했을때최대 >PZT stacking 에따른전력량측정실험 :1, 3, 5 겹더많이겹칠수록높은전력량발생. (MEH (Mechanical energy harvester)) # 에너지하베스터의 stacking ( 논문출처 : Conformal piezoelectric energy harvesting and storage from motions of the heart, lung, and diaphragm ( 레퍼런스참고 )) 결과적으로 PZT 를 Ribbon 구조로연결해 5 겹으로쌓고위치는심장의우심실에방향은 45 도로위치시켰을때 1.2mw/cm² 의가장큰출력량을얻을수있었다. 이는인공심장박동기를구동하는데필요한양보다 3 배많은양이다. 28

29 5. 해외탐방 2 일리노이대학교 _ Rogers Research Group 압전에너지하베스팅심장박동기의상용화가능성 압전하베스팅심장박동기는특허도보유하고있으며, 발전량등기술적으로는완벽한수준이다. 하지만아직 FDA 승인등의문제로상용화까지는시간이필요하다. 실험을수행할충분한자본과인체실험지원자가있다면상용화까지 5~10 년정도걸릴것이다. PZT 납성분의인체내무해성검증 압전하베스터를인캡슐레이션 (encapsulation) 한다면납성분에대해걱정할필요가없다. 실험 # 결과는압전하베스터가인체내에서무해할것이라는것을뒷받침한다. PZT 주변의온도가 600~700 도를넘지않는이상 PZT 의납은분해되어나오지않는다. # 하베스터를 Poly -mide 계열의물질로 3~4 겹감싸준실험에서, 세포에일어난변화가거의없었다. 즉, 독성물질이생기지않았다. 기계가혈액이나조직내에서작동하면서 PZT 의납성분등이유출되지도않았다. 의대와의긴밀한협력연구및커뮤니케이션 Rogers 연구팀은인공심장박동기실험을 Arizona 의대와함께수행했다. 실험과정을진행하며아이디어를모았다. 또한의사들은압전에너지하베스팅을이용한아이디어에대해매우긍정적이었다. 그들은인간을도울새로운기술을필요로하고이를환영한다. 심장전문의사들은기존심장박동기의단점을잘알고있다. 따라서현재압전에너지하베스팅심장박동기의불완전함도함께고민해개선하려는의지가크다. 29

30 5. 해외탐방 2 일리노이대학교 _ Rogers Research Group 압전에너지하베스팅심장박동기의기대수명과예상가격 압전하베스팅심장박동기는자가구동되고, Flexible 하기때문에기계적스트레스에도강해반영구적으로쓸수있다 # 가격은현재단계에서정확히예측하긴힘들다. 그러나대략 1 만달러인기존의심장박동기보다는저렴할것이다. 실험실에서는재료비가인공심장박동기 1 개당 40 달러정도였다 #. 하지만제품으로고려할때는인건비도고려하여야한다. 압전에너지하베스팅을응용한다른연구 # 기존의심장박동기는기대수명이평균 7 년이다. # 실험실에서는 800 달러치의압전물질을사면 20 개의심장박동기를만든다. 연구팀은몸안에서분해되는압전에너지하베스터 (biodegradable energy harvester) 도연구했다. 즉, 압전하베스터가몸속을돌아다니며주어진작업을한후, 자연스럽게분해되도록한것이다. Silk substrate 에몸에서분해가가능한 ZnO 를사용한다. 병의유무나진행과정을파악하기위해몸속을관찰할때사용할수있으며, 이를꺼내기위한수술을하지않아도된다. 혈압등을체크하는데사용할수있다. 1. 압전에너지하베스팅기술과체내삽입기기를접목시켜불필요한수술을방지 - 심장박동기, 체내분해센서 2. PZT 를 Polymide 계열물질로여러번감싸인체내해로운물질로작용하는것을방지 3. 압전에너지하베스팅심장박동기의상용화를위해서는 FDA 승인이필요. - 승인을위해장기적인동물실험결과, 인체내삽입실험자료가필요하다. 이를위해의학분야와협력해연구해야함. 30

31 5. 해외탐방 3Noliac Corporation 가격 발전량 기술홍보 기관소개 압전소자부터이를이용한다양한제품까지직접개발, 제조, 디자인하는회사. 회사명은 No Limit Application Company 의약자로압전기술의응용에있어고객맞춤솔루션을제공하는회사의모습을담고있다. 방문목적 압전소자의센서로의응용에대해알아보고상용화정도를알아본다. 주요탐방내용 Noliac 이하는일 Noliac 은압전물질, 주로 PZT 를소재로센서, 액츄에이터, 트랜스듀서를주로만든다. 압전하베스터를도로, 휴대폰, 인체에적용하는연구도하고있다. 그러나인간이지니는힘이작아인체에적용하는데에는어려움을겪고있다. 31

32 5. 해외탐방 3Noliac Corporation # 자세히알아보기 _ 압젂소자 : 단층 (single layer) VS 다층 (multi layer) 다층구조는단층구조와크기는비슷하지만사실그안에수십개의압전층이들어가있어서훨씬높은출력량을낸다. 또한단층구조는전극이위, 아래에존재하나다층구조는옆면에존재한다. 따라서응용하려는방식에따라전극의위치도염두에두고소자구조를선택해야한다. ( 단층 ) ( 다층 ) 다양하게이용되는압전하베스터 많은소비자들이다양한주문을한다. 고관절이들썩이는힘으로의자뒤의 LED 를켜배터리없이자전거의불을켠사례가있다. 머릿속에붙이면두개골이진동하는것을 signal 로감지하는 Bone microphone # 을만든사례도있다. 이를이용하면구조대원들이위급상황에서헬멧속에서도신호를받을수있다. 유동인구가많은쇼핑거리에압전하베스터를설치한사례도있었지만걷는힘으로는적은힘과낮은주파수때문에큰생산량을얻지는못한다. # Bone microphon : 사진처럼사람의머리뒤에설치해, 헬멧과함께착용할수있다. ( 사진출처 :Quala-Tel) 32

33 5. 해외탐방 3Noliac Corporation 압전하베스팅제품설계시특별히고려할사항 압전소자가견딜수있는무게이다. 압전소자에가해질최대힘을항상미리살펴야한다 #. 또한원하는성능과가격을함께고려하여야한다. 예를들어압전소자를쌓아구조성을높이면더많은에너지를수확할수있지만가격이비싸지기때문이다. 압전소자를응용한제품이비싼이유 가장큰이유는인건비이다. 압전소자를만드는방법자체는어렵지않다. 그러나만드는데많은수작업이들어가기때문에가격이비싸진다. 다층구조가격이단층보다훨씬비싼이유도수작업이더많이들어가기때문이다 #. ( 다층구조로쌓아올린원형압전소자 # ) 1. 압전소자를이용해다양한제품을구상하려는소비자가많고시장이형성되어있음 2. 압전소자를활용한제품설계시목적에따라최적의소자종류와구성방식을고려해야함 - 압전소자의설계구조에따라발전량이달라지기때문. 3. 압전소자의높은가격의원인은인건비 # 피로파괴 - 압전하베스터의장기간사용을위해서는인장강도 / 항복강도와함께피로파괴도고려하여야한다. - 피로파괴란고체재료에반복응력 ( 應力 ) 을연속가하면인장강도보다훨씬낮은응력에서재료가파괴되는것을말한다. ( 출처 : 산업안전대사전 ) # 다층구조는에폭시계물질을이용해여러층의압전소자를이어붙이고옆면에전극을붙여만드는데, 매우노동집약적인작업이다. # 사진출처 : 놀리악 33

34 5. 해외탐방 4Linear Technology Corporation 가격 발전량 기술홍보 기관소개 다양한범위의고성능회로를설계하고제작하는회사이다. 압전에너지하베스터가들어간다양한통합서킷 (circuit) 들을판매한다. 방문목적 에너지하베스터를상용화한회로기술과상용화에필요한조건을알아보고, 응용분야의가능성을찾는다. 주요탐방내용 리니어에서개발한에너지하베스터 대표적으로압전에너지하베스팅컨버터인 LTC358-1 가있다. 산업현장에서가속도 0.2g, 120Hz 의진동을수확한다. 주파수튜닝을위해캔틸레버 # 도사용됐다. 생산된교류는컨버터를통해직류로바뀐후 300µF capacitor 에저장된다. 주변의진동에너지에서전력을생산해효율적인무선통신을가능케한다. # 자세히알아보기 _ 공진주파수와주파수튜닝 압전하베스터의고유진동수와외부진동과일치하면공명이일어나는데, 이때가장큰에너지를얻을수있다. 압전하베스터의효율을높이기위해외부진동과주파수를맞추는것을주파수튜닝이라고한다. # 캔틸래버 - 위와같은구조를가진다. - 우리주변의대부분의진동은주파수가낮은데, 공진주파수를맞추기위해캔틸레버형압전하베스터를많이사용한다 34

35 5. 해외탐방 4Linear Technology Corporation 수확한에너지로배터리를충전하는원리 배터리로충전하려면회로가필요하다. 충전은 Vin 혹은 Charge pin 에연결된저항을통해이뤄진다. Charge 와 Vin2 사이의스위치는 converter 가 sleep mode # 에들어갔을때만켜진다. 이처럼수확된에너지가남을때만충전이이루어지게된다. # Sleep mode : 회로가전력을매우적게소비하는상태. # 자세히알아보기 _Sleep mode 출력전압을기준으로 sleep mode 에들어가는여부를결정한다. output voltage 가끊임없이요동하는중앙구간에서만 load current 가증가하며, 즉기계가작동했다. 그외에구간에서는 sleep mode 를유지한다. 이는회로가전력을효율적으로사용하도록한다. 압전하베스터회로의효율성을높인원리 Sleep threshold 로회로의효율성을높이고있다. 효율성을높이기위해최우선적으로 Quiescent current # 를낮게유지해야한다. 회로에흐르는전류중회로자체의전원을유지하기위한 QC 에너무많은전류가소비되면배터리에저장될전류가적어진다. 따라서 QC 를낮게유지하여수확된에너지가배터리에최대한충전될수있도록한다. Sleep threshold 는과도한 QC 를차단함으로써이를가능하게해준다. #QC (Quiescent current ) : 휴지상태의전류. 전원은켜져있으나작동은하지않는회로에흐르는전류이다. 35

36 5. 해외탐방 4Linear Technology Corporation 상용화의문제 _ 사람들의인식느리게형성되는시장 시장에서수요가느리게증가하는편이다. 이기술이가장잘적용될수있는산업제어 (Industrial control) 분야가굉장히보수적인분야이기때문이다. 이분야에서는현재상황에문제가없는이상새로운것을시도하거나바꾸려하지않는다. 하지만안전관리에대한관심이늘어나면서안전관리센서분야에서는이기술을받아들이기시작했다 #. 점차다양한응용으로수요가늘면대량생산을통해가격도낮아질것이다. 상용화가이루어지기위한조건 MIDE # 와같이표준상품 (Standard product) 을파는회사가더많아져야한다. 압전현상과원리에대해서는이미많은사람들이알고있다. 하지만표준상품이있어야어느정도의 power 를얻기위해서어떤종류의압전물질을얼만큼써야하는지를대략적으로알수있다. 그러면여러사람들이이를기준으로다양한응용처를생각해낼수있다. 1. 압전하베스터의효율은회로구성을통해높일수있고, 제품에응용되기충분하다. 2. 현재는사람들의인식문제로인하여시장형성이어려움 친근한상용화컨셉과관심증대, 다양한응용으로극복가능 3. 상용화를위해서는표준상품 (Standard product) 이많아져야한다. # 대표적인것이열차의베어링시스템 (bearing system of train) 이다. 고속열차가많아지면서안전에대한관심이높아졌고이기술을받아들이기시작했다. #MIDE : 최초로 Piezo standard product 를제작한회사. 에너지하베스터, 액츄에이터, 센서등에들어가는압전소자부품을제작하고판매한다. 36

37 해외탐방정리 진동자체를이용하여핸드폰충전이가능하다. - 이미큰시장에압전하베스팅을접목하여시장을확보할수있다. - 낮은발전량은스토리지, 디바이스쪽과의협력연구를통해보완될수있다. 압전하베스팅심장박동기는상용화직전단계이다. - 사람을살린다는목적으로가치를높인다. - 상용화를위해선의료, 생물분야와의협력이필요하다. 압전소자종류와구성방식을고려하면, 더욱다양하게사용가능하다. - 여러제품에응용될가능성이높아진다. - 소자의설계방법만으로도발전량과효율을높일수있다. 현재는압전하베스팅의큰시장을형성하는게쉽지만은않다. - 사람들의인식이변화되어야한다. - 표준상품이많아져야한다. Noliac Linear Illinois university Georgia Tech Georgia Tech 37

38 3 결론도출 01 한국도입을위한시스템구상 02 한국의현실 03 구체적방안제안 04 실제예시적용 05 미래젂망및기대효과 06 LG에제안 38

39 1. 한국도입을위한시스템구상 선순환을이끄는협력시스템 - 저전력기기에는이미적용가능한발전량 - 새로운소자, 다양한구조로의지속적연구로발전량은점점높아짐 연구기관 가격 - 압전하베스팅이적용될수있는다양한응용분야를알림. - 표준상품을공지하는등정책적으로기술을홍보 발전량 기술홍보 기업 정부 - 의료등높은가치를지니는영역에적용할수있음 - 시장확보를통해생산량을늘려가격을낮출수있음 문제를해결하기위해, 연구기관, 기업, 정부의협력시스템을구축해야한다. 이때에선순환을이끌어낼수있다. 압전에너지하베스팅이다양한분야에쓰일수있도록기술을홍보하면시장이형성되고대량생산이유도된다. 이는경제성확보로이어진다. 또한규모의경제가확보되면, 폭넓은연구개발을촉진하며낮은발전량의문제를해결하는신기술이등장할것이다. 이는또다시압전하베스팅을홍보하는선순환으로이어질수있다. 기술홍보 가격 발전량 39

40 2. 한국의현실 국내압전에너지하베스팅의현황 연구기관 - 하베스팅 (Harvesting), 스토리지 (Storage), 디바이스 (Device) 세분야중하베스팅에연구가치중되어있음. - 화학, 재료, 기계, 전자, 의학등여러분야의융합연구필요하나시행이어려움. 기업 정부 - 압전관련기업이부족하며, 그냥보여주기식의제품만을생산하는곳도있음. 즉응용제품들이부족함. - 현재압전에너지하베스팅시장이작아서대량생산이이루어지지못함. - 압전에너지하베스팅에대한시민들의인식부족. #. - 정부가적극적으로압전에너지하베스팅에대한연구장려, 홍보, 제도적지원등을할필요성증대. # 압전에너지하베스팅은 2006 년에처음소개되어아직 10 년도되지않은신기술이다. 40

41 3. 문제해결을위한구체적방안제안 1) 정부에제안 _ 프로젝트 X 추진 산업자원부 프로젝트 X 압전에너지하베스팅 정책지원부 육성부 상용화부 기획홍보팀 기술표준팀 창업지원팀 정책제도팀 산업진흥팀 대외협력팀 현재정부의신재생에너지추진체계 정책지원부 육성부 상용화부 위그림은현재정부의신재생에너지추진체계이다. 프로젝트 X 산하 3 개의부처는각각의기관들과협력 # 을통해, 궁극적으로압전에너지하베스팅이한국에적용될수있는환경을조성한다. ( 정책지원부 -> 실행기관 / 육성부 -> 연구지원기관 / 상용화부 -> 기술개발및보급참여업체 ) 41

42 3. 문제해결을위한구체적방안제안 1) 정부에제안 _ 프로젝트 X 추진 < 프로젝트 X 의 Action Item> 인식개선연구지원제도및정책수립 기술홍보발전량 가격 ( 가치발견 ) 가격 ( 시장형성 ) [ 인식개선 ] 홍보자료, 홍보부스설치, 시범사업추진 - 투자유치를위한홍보 : 홍보자료집을발간하고, 표준기술을선정해기업에배포하며민간투자를이끌어낸다. - 사용자층인식개선을위한대중에의홍보 : 과학박물관등에홍보부스를설치하고시범사업을추진한다. 그러나보여주기식이아닌실제로쓰일수있는응용처에대한것이다. [ 연구지원 ] : 공모전, 창업지원, 연계기관지원등 - 공모전 : 일반인을대상으로아이디어공모전을실시한다. 대중의인식개선과다양한아이디어창출을가능케한다. - 창업지원 : 압전하베스팅은원리가간단하여진입장벽이낮다. 응용아이디어를가진창업자지원을통해상용화를촉진한다. - 연계기관지원 : 지원금을통해다른분야와의연구협력을촉진한다. [ 제도 정책수립 ] : 압전에너지의무할당제실시 - 현재신재생에너지의무할당제는모호한분류기준때문에잘적용되고있지않다. # - 안전이나의료등압전에너지하베스터가사용되는분야에한하여 압전 을명시한압전에너지할당제를실시한다. # 신재생에너지의무할당제 (RPS) -발전회사가연간전력생산의일정량을의무적으로신재생에너지로공급하는제도이다. -하지만현재한국에선신재생에너지에폐기물에너지가포함되어있어, 대다수의발전회사는이것으로의무량을채운다. -즉, 의도와는다르게태양및풍력의보급이크게늘지않았다. 42

43 3. 문제해결을위한구체적방안제안 2) 기업, 연구소에제안 _ 압전에너지하베스팅컨퍼런스추진 압전에너지하베스팅의상용화와시장형성을위해서는기업과연구기관사이의긴밀한연계가매우중요하다. 그러나압전에너지하베스팅은연구가시작된지 10 년도안된분야로, 일반시민들은물론, 기술상용화의주체인기업들도압전하베스팅에대해잘모르는상황이다. 기술홍보 상용화 기업 컨퍼런스 (Conference) 연구기관 상용화 기업과연구기관의합동컨퍼런스추진을통해기업과연구소간의정보교류를촉진한다. 연구기관은장소를제공하고주최하며, 기업의참여유도및컨퍼런스가끝난후정리자료집을출판한다. 기업은참가비를통해재정을확충하고, 기업의자원인경영인력을제공한다. 결론적으로압전에너지하베스팅의상용화를촉진한다. < 컨퍼런스의구체적방안 > 참가자선정 인력매칭정기적컨퍼런스열린컨퍼런스 43

44 3. 문제해결을위한구체적방안제안 2) 기업, 연구소에제안 _ 압전에너지하베스팅컨퍼런스추진 < 컨퍼런스의구체적방안 > 균형잡힌연구를위한참가자선정시스템 컨퍼런스에는연구비가일정이하인연구자를우선적으로참여하도록한다. # 상용화촉진을위한경영전문인력매칭 (matching) 시스템 컨퍼런스준비과정에서, 압전에너지하베스팅에관심이있는중소기업과연구소사이에경영전문인력을매칭해주며, 상용화를위한방법을더잘모색할수있다. 정기적인컨퍼런스개최 컨퍼런스의목표는일시적상용화촉진이아니라, 압전에너지하베스팅의시장형성이다. 따라서정기적으로컨퍼런스를개최한다. # 이미연구비를일정이상지원받고있는연구자에비해, 아직그가능성을인정받지못해충분한연구비를지원받지못하는연구자들도있다. 이러한참여자들에게우선적으로참여할권리를부여함으로써다양한연구개발활동을지원하고자한다. 융합을위한열린컨퍼런스 압전에너지하베스터를연구하는연구자들뿐만아니라기계, 전기, 의료, 건축등다양한분야의전문가들도컨퍼런스에참여하여협력연구의토대를만든다. 컨퍼런스개최를통해기업 - 연구소간협력을촉진하여, 압전하베스팅의상용화증대와시장을형성하고, 다른분야와의연계연구를늘린다. } 44

45 4. 실제예시적용 _(1) 심장박동기 (Pacemaker) 심장박동기 (Pacemaker) 수술현황 현재심장박동기의가장큰단점은배터리의수명이다. 심장박동기내부의배터리평균수명은약 5 년이다. 수명이다하면배터리를교체하기위해재수술을해야한다. 심장박동기에들어가는배터리의가격은 1000 원정도인데반해, 이배터리를교체하기위한심장절개수술비용평균약 900 만원정도로, 어마어마하다. 뿐만아니라재수술은환자의다른질병감염위험을높인다. 더욱이환자의나이가많을경우심장개복수술은그자체로건강을위협하는요인이된다. 배터리를교체하지않아도된다면재수술을하지않아도된다. 압전에너지하베스터를이용하면심장박동기의배터리수명을늘리거나, 더나아가배터리교체없이반영구적으로쓸수있다. 재수술 ( 개복수술 ) 을할필요가없다 금전적이득 : 수술비용이절약됨 재수술로인한다른질병감염위험이없어짐 나이가많은환자들의재수술부담이없어짐 45

46 4. 실제예시적용 _(1) 심장박동기 (Pacemaker) 압전하베스터를적용한의료기기상용화 정부 ( 프로젝트 X) 지원 압전에너지하베스팅연구소 의대및생명공학과 컨퍼런스를통한매칭 기업 [ 새로운인체삽입형의료장치개발및사용 ] 1) 압전하베스터의인체내무해성에대한장기적연구 FDA 승인 -PZT encapsulation 결과를장기적으로입증할수있는실험을설계후실시한다. ( 가능성을보이는실험이아닌안전성검증에초점을맞춘다.) - 이러한실험결과로 FDA 승인이이뤄지며, 실제환자에적용될수있다. 2) 의대및생명공학과, 기업의협력연구 새로운인체삽입형의료장비개발 - 국내의료협회에제안및의과대학과기업에압전하베스터와생물을접목한개념을소개한다. - 함께연구할분야를선정하고, 협력할수있는제도를마련한다. - 이는현재압전심장박동기를사용가능하게하고, 새로운인체삽입형의료장비의개발을돕는다. 46

47 4. 실제예시적용 _(2) 안전감지시스템 안전불감증 시대 경주마우나리조트붕괴 세월호참사 지난 2 월, 눈의무게를이기지못하고경주마우나리조트가무너져내리는사건이발생했다. 2 개월뒤인 4 월에는학생수백명의목숨을앗아간세월호참사가일어났다. 짧은시간간격으로잇달아일어난두사건은대한민국의 안전불감증 문제를상기시켰고, 앞으로일어날지도모르는사건, 사고들에대한국민들의불안감을야기하였다. 이두사건을계기로대한민국에서는 안전 이최대화두가되었으며 안전 관리문제가최근가장큰이슈로떠올랐다. 그러나많은수의재난사건은사전에미리감지할수있다면충분히예방가능하다. 센서를이용한안전감시시스템을구축한다면안전관리에있어서큰기여를할수있을것이다 압전에너지하베스팅을적용한안전감시시스템을구축한다면, 배터리를교체할필요가없는반영구적인센서시스템이될것이다. 안전감지센서의배터리를교체할필요가없다 사람이직접점검할필요가없어인건비감축 정확한센싱으로실시간모니터링가능 사람이가서점검하기어려운곳에유용 통합시스템관리가쉬움 47

48 4. 실제예시적용 _(2) 안전감지시스템 안전감지압전센서시스템구축및예시 소방방재청, 한국시설안전공단등 정부 대학및연구소 연구기관 압전하베스터전문기업 기업 - 감지가필요한장소제안 - 주변의기계적움직임분석 - 센서가설치될위치선정 - 센서종류선정 - 설치 [ 각재난종류별로통합시스템관리 ] 1) 싱크홀조기예측 : 지하수흐름모니터링 땅속지하수가고갈되거나그흐름이바뀌면지반이붕괴되는싱크홀이생길수있다. 싱크홀을조기예측하려면지하수유량이나지반의변형정도를모니터링해야한다. 이때지하수의흐름이나도로의진동을이용한압전하베스터는싱크홀예측시스템구축에큰도움이될것이다. 2) 원자력발전소내안전감지설비 : 지진감지 원자력발전소에는지진으로위한방사능누출위험때문에주요구조물과기기, 부지주변에지진감지설비가설치되어있다. # 이들센서들의배터리교체는기기의안정성과교체인력의방사능유출등여러문제를야기한다. 이를압전하베스터로해결할수있다. # 현재한국원자력발전소엔경보스위치가원자로기기및배관에설치되어있고시간이력가속도계가원자로하부땅속에설치되어있다. 48

49 5. 미래전망및기대효과 미래전망 1) 늘어나는수명에대비한토탈헬스케어시스템 한국의평균수명및고령자수의급격한증가로건강에대한관심이증가하고있다. 압전소자를이용해심장박동기뿐만아니라, 다른체내삽입의료센서로심박, 혈류상태모니터링이가능해질것이다. 질병의예방및신속한대응이가능해진다. 2) 차세대스마트기술의핵심 : 센서 제조용, 전문서비스용등다양한융합로봇개발및무인, 인공지능등여러자동차의개발하는시대가왔다. 주변상황을인지하고반응하기위해센서요구도가증가할것이다. 배터리로구동된다면잦은교체와배터리폐기문제발생한다. 압전소자를이용해자가구동되는센서로부담을절감한다. 기대효과 _PEST 분석 # Political 국제적이슈인 CO 2 감축에기여하여에너지와관련한국가적분쟁방지 Economical 버려지는에너지수확및상용화제품들로인한경제적이윤창출 압전하베스팅의기대효과 Social 에너지수확개념확산으로에너지에대한사회적인식변화 Technological 다양한분야에응용가능및다양한기술적융합연구촉진 #PEST 분석이란? : 거시적환경요인분석의도구. 정치적 (Politics), 경제적 (Economy), 사회문화적 (Society- Cultural), 기술적 (Technology) 환경의앞글자를모은용어. 49

50 6. LG 에제안 1) 기술적제안 _LG 전자및 LG 모바일 2) LG 를위한제안 _LG CNS - 압전하베스터를 LG 전자제품에적용한다. 특히자가충전이가능한스마트폰은미래를바꿀기술로생각된다. 따라서새로운스마트폰제품에압전하베스터를사용한다. - 압전하베스터를이용하여 LG 빌딩내의감지시스템을구축한다. 압전센서를활용한온도조절과안전감지는체계적인정보수집을가능케한다. 이정보를이용하여에너지절약과화재예방등손쉬운통합관리가가능해진다. 3) 휴먼팩토리의시스템제안 _LG 경영개발원및 LG 공익재단 - 압전에너지하베스팅은미래를끌고나갈기술이므로, 개발에앞장선다면장기적인관점에서 LG 에분명이익이된다. 그리고이를위해선휴먼팩토리가제안한컨퍼런스의참여가필수적이다. 수동적인참여가아닌, 미래의 LG 를이끌어갈예비경영진들을컨퍼런스에참여시킨다. 이매칭시스템을통해압전하베스팅의새로운응용처를발굴하고, 상용화를촉진하며, 기술선점이가능하다. 에필로그 지난봄부터우리는바쁘게달려왔다. 어느덧 14일간의미국탐방도끝이났다. 이모든시간들을통해우리는압전에너지하베스팅이갖는잠재력과가능성을발견하게되었다. 압전에너지하베스팅은주변의버려지는에너지를모아인류의건강과첨단산업에보탬이될것이다. 에너지문제에기여할수있는압전에너지하베스팅의미래를믿기에우리의노력은멈추지않을것이다. 50

51 참고문헌 > 도서및논문 - 이수진, 김상우, 함영복, " 압전에너지하베스팅기술동향및전망, 한국과학기술정보연구원정보분석연구소, 강종윤, 강민규, "PZT 기반압전에너지하베스팅기술," 한국전기전자재료학회, 전기전자재료제 27 권제 3 호, 2014: 이정환, 김상우, " 에너지하베스터의기술및연구동향," 한국전기전자재료학회, 전기전자재료제 27 권제 3 호, 2014: Canan Dagdevirena, Byung Duk Yanga, John A. Rogers et al., "Conformal piezoelectric energy harvesting and storage from motions of the heart, lung, and diaphragm." PNAS(2014). vol.111 no.5: 정대용, 이영진, 백종후, 압전에너지하베스팅의원리및응용," 조명 / 전기설비학회지, 6, 2010 : 노재영, 황동곤, " 공동주택적용태양광발전시스템의성능평가," 대한설비공학회학술발표대회논문집, 2012 하계 : 주재욱외 4 명, " 전력사용량에따른주거용건물의태양광발전시스템경제성평가에관한연구," 한국건축친환경설비학회논문집, 2008, Vol.2, No.2: 김성주, " 풍황조사및분석방법의고찰과풍력발전시스템의경제성분석," 전력전자학술대회논문집, 2003: 한국수출입은행, " 세계풍력시장동향과국내풍력산업주요이슈," 해외경제연구소산업투자조사실, BP, "Statistical Review of World Energy," : 한국전력거래소, 2013 전력시장통계, 한국전력거래소, 제 6 차전력수급기본계획, 대한민국안전행정부, 국민안전종합대책,

52 참고문헌 - 전남의대순환기내과교수, 심장병의최신치료법, 전남대학교출판부, 이정균, 심장병심장을알면건강이보인다, 한양대학교출판원, 남상엽, 김장권, 하이버스 ( 주 ) 기술연구소공저, 센서응용시스템, 상학당, 한국수력원자력, 산업통상자원부공저, 2013 원자력발전백서, 유진규, 인간동력당신이에너지다, 김영사, > 인터넷사이트 - 종린왕교수홈페이지, - 미래창조과학부, 무선통신가입자통계 ('14.7 월말기준 ), -Financial Sense, - 네이버블로그, " 원자력발전소의원리," - 한국전기안전공사 kesco 공식블로그 -Enocean 사홈페이지, -United Nations Population Division, - 센불홈페이지, - 리니어 Linear Technology, - 이혜경, 서울대오세일교수인공심장박동기이식 1 천례달성, 데일리팜, 박종관, 마른땅에날벼락... 싱크홀의비밀, 한겨례과학, 과학향기, 한국과학기술정보연구원,