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지철 주
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1 2015 년도한국철도학회추계학술대회논문집 KSR2015A067 압전하베스팅기술의철도차량적용에대한고찰 Review on the piezoelectric harvesting technology to the rail vehicles 이성준 *, 김주원 *, 정형일 *, 김진우 *, 김용한 * Seoung-Jun Lee *, Juwon Kim *, Hyungil Juug *, Jinwoo Kim *, Yonghan Kim * Abstract In 1830 Liverpool - Beginning with the opening of the Manchester section, and fetal movement the railway has grown into a large axis of the land transportation that combines speed and load capacity. It collects more energy being wasted, Energy Harvesting field of use as the power is applied in many fields. Piezoelectric power generation, it is possible to produce through the deformation or vibration caused by pressure acting from the outside. Railway is always accompanied by a vibration, we have to convey the pressure caused by the body of the weight to the rail. Therefore, the train is determined to have provided an environment suitable for piezoelectric generator. Consider for rail vehicles application of energy harvesting technology that utilizes piezoelectric elements via the analysis of the national and international research case. Keywords : Piezoelectric, the piezoelectric element, harvesting, piezoelectric power generation, rail vehicles 초록 1830 년리버풀 - 맨체스터구간의개통을시작으로태동한철도는속도와수송력을겸비한육상운송의큰축으로성장하였다. 또한에너지를절감하고온실가스배출을줄이는동력원에대한다양한연구도이루어지고있다. 낭비되어지는많은에너지를수집하여전력으로활용하는 Energy Harvesting 분야는많은분야에서적용되어지고있다. 압전발전은외부에서작용하는압력에의한변형과진동을통해서생산이가능하다. 철도는늘진동을수반하고있고차체의중량으로인한압력을레일에전달하고있다. 따라서, 철도는압전발전에적합한환경을갖추고있다고판단된다. 국내외연구사례분석을통해압전소자를활용한에너지하베스팅기술의철도차량적용에대해고찰하고자한다. 주요어 : 압전, 압전소자, 하베스팅, 압전발전, 철도차량 1. 서론산업혁명과더불어태동한철도는 1830년리버풀-맨체스터구간의개통을시작으로발전하게되었다. 현재의철도는속도와수송력을겸비하고육상운송의큰축을형성하고관련시장규모도증가하는추세에있다. 철도를비롯한현대산업의기술이지향하는방향은에너지절감과환경보호이다. 압전소자를이용하여전기에너지를생산하는기술이일부국가에서실용화되고있고많은연구와특허가진행중에있다. 진동이나압력을철도에적용하여압전하베스팅의가능성을살펴보고자한다. * 한국철도공사연구원

2. 본론 2.1 압전소자의이해 2.1.1 압전소자의정의압전소자 (piezoelectric element, 壓電素子 ) 란피에조전기소자라고도하며어떤종류의결정판에일정한방향에서압력을가하면판의양면에외력에비례하는양 음의전하를나타내는소자를말한다.

2 2. 본론 2.1 압전소자의이해 압전소자의정의압전소자 (piezoelectric element, 壓電素子 ) 란피에조전기소자라고도하며어떤종류의결정판에일정한방향에서압력을가하면판의양면에외력에비례하는양 음의전하를나타내는소자를말한다. 압전기가발생하는현상은 1880년프랑스의자크퀴리 (Jacque Curie) 와피에르퀴리 (Pierre Curie) 형제가처음발견하였다. 과거에는수정, 전기석, 로셀염등을이용하였으나그후타이타늄산바륨, 인산이수소암모늄, 타타르산에틸렌다이아민등의압전성이향상된물질들도개발되었다. 최근에는세라믹소자를활용한압전하베스팅기술이연구되고있다. 이러한압전소자는운동에너지와전기에너지의상호변환이가능해다양한분야에응용될수있는장점이있다. 압전소자한장의결정판에서나타나는압전기는미약하지만금속박을삽입하면서여러장을겹칠경우그양이크게증대된다 압전소자의특성압전세라믹소자는일반물질과는달리서로다른에너지특성 ( 기계적에너지 전기적에너지 ) 간의변환이가능하기때문에스마트물질로불리며, 1 차변환및 2 차변환이가능하다. - 1 차변환 : 압전효과 ( 기계적에너지 전기적에너지 ) - 2 차변환 : 역압전효과 ( 전기적에너지 기계적에너지 ) Fig. 1 Piezoelectric phenomenon

3 2.2 압전소자의주요상수와요구특성 압전소자의성능을평가할때쓰이는주요한상수몇가지를소개하고자한다. (1) 전기기계결합계수 (K) : 압전소재가서로다른에너지를상호변환할때의변환효율을나타내며 0에서 1사이의값을가진다. (2) 기계적품질계수 (Q) : 유전손실의역수를말하며 Q값이클수록손실이작다. 일반적으로 Q값이클수록열발생이적으며주파수특성이좋아지는장점이있고 Q값의범위는 50~2000 으로재료에따라다양하다. (3) 상전이온도 (T) : 압전체의결정구조가 Cubic으로바뀌는온도를의미하며이온도이상이되면압전특성을잃어버리게되므로값이클수록좋다. PZT 계열은약 180~350, NKN 계열은 250~500 정도의값을가진다. 압전소자는제작이나소결과정에서상대밀도, 결정구조, 입도크기, 도핑상태등에따라특성이달라지게된다. 상대밀도가크다는것은빈공간이나결함없이소결이잘되었다는것을말한다. 빈공간은압전특성에아무런기여를하지않으므로상대밀도가증가할수록압전특성은상승하게된다. 압전소자는일반적으로 2개이상의결정구조가섞여있는경우를많이사용하는데이런경우압전특성이비약적으로상승하기때문이다. 이와같이두개이상의결정구조가섞여있는것을상공존영역또는 MPB(Morphotropic Phase Boundary) 라부른다. 소결후미세구조에서보이는입도크기는커질수록압전특성이향상된다. 입도사이즈가일정크기이하가될경우아예압전특성을잃어버리는경우도있다. 도핑은인위적으로압전세라믹에원자가가다른물질을입히거나치환하는것을말한다. Table 1 Doping of the piezoelectric element Donor 도핑 Acceptor 도핑 ㆍ원자가가더높은물질을도핑 ㆍ원자가가더낮은물질을도핑 ㆍ재료가부드러워짐 ( 소프트닝효과 ) ㆍ재료가딱딱해짐 ( 하드닝효과 ) ㆍ K 증가, Q 감소 ㆍ K 감소, Q 증가 ㆍ상전이온도 (T) 는상승과하락모두가능 2.3 압전소자의한계와성장가능성 일반적으로많이쓰이는압전재료인 PZT, NKN 계열세라믹의한계와문제점을살펴보고성장가능성에대하여간략하게살펴보기로한다. PZT 계열의가장큰문제는 Pb에의한환경문제가발생할수있다는점이다.

RoHS 1 에따르면납, 수은, 6가크롬, 카드뮴등을포함한 6가지물질에대해규제를하고있다. 그러나압전체의경우에만대체물질이개발될때까지허용되고있다. 또한상전이온도가낮다는문제점도있다. 반면 NKN 계열의가장큰문제는 PZT 계열에비하여압전특성이낮다는점이다. 이외에도수분에취약하며공정시변수가많다는단점도있다.

4 압전하베스팅기술의국내외사례 국내에서는 ( 주 ) 센불이한국세라믹기술원과협력하여세라믹압전체를이용한 압전에너지블록 을개발하여, 부산서면역승강장에설치하여승객들의휴대폰충전에활용하고있으며기아자동차는광주공장에에코존을설치하여압전하베스팅기술을체험할수있도록하고있다. 최근세라믹기술원은미세한압력이나변형을가하면전기를생성하는 세라믹 u-압전발전소자 를개발하였다.

4 RoHS 1 에따르면납, 수은, 6가크롬, 카드뮴등을포함한 6가지물질에대해규제를하고있다. 그러나압전체의경우에만대체물질이개발될때까지허용되고있다. 또한상전이온도가낮다는문제점도있다. 반면 NKN 계열의가장큰문제는 PZT 계열에비하여압전특성이낮다는점이다. 이외에도수분에취약하며공정시변수가많다는단점도있다. 압전하베스팅은미활용되고있는철도차량의진동에너지를전기에너지로변환하는신개념전력에너지생산기술로설치비및유지비가저렴하고, 독립전원으로사용이가능해응용분야가다양해질것으로기대된다. 철도의진동에너지는운행중항상발생되는자연적인에너지로친환경적이며지속적인전기에너지생산이가능하다. 다만발전량을증대시키는기술의개발이선행되어야할것으로생각된다. 2.4 압전하베스팅기술의국내외사례 국내에서는 ( 주 ) 센불이한국세라믹기술원과협력하여세라믹압전체를이용한 압전에너지블록 을개발하여, 부산서면역승강장에설치하여승객들의휴대폰충전에활용하고있으며기아자동차는광주공장에에코존을설치하여압전하베스팅기술을체험할수있도록하고있다. 최근세라믹기술원은미세한압력이나변형을가하면전기를생성하는 세라믹 u-압전발전소자 를개발하였다. 세라믹압전발전소자는 25 5밀리미터 ( mm ) 크기에서 3볼트 (V), 4마이크로암페아 (μa) 전기를생성한다. 세라믹압전발전소자한층전기발전량은적지만여러층을쌓으면웨어러블기기나플렉시블디스플레이를구동시킬수있을만큼전기를만들수있다. Fig. 2 piezoelectric power generation system, Seomyeon Station in Pusan 일본 JR에서는지하철개찰구바닥에압전블록을설치하여 6,000 Ws/day의전력을생산하고있다. 도쿄의고시키사쿠라대교에는통행하는자동차의진동을이용한압전발전시스템을설치하여다리의조명에사용하는실험을진행중이다. 또한동경지하철역내계단에압전발전장치를설치하여수확된전력으로역사조명에활용하고있으나, 압전발전장치를열차에 1 RoHS 란유해물질제한지침 (Restriction of Hazardous Substances Directive) 을말하며유럽연합에서시행되며 해로운물질을사용한전자제품이나, 전기기기를제한하는지침이다.

직접적용한사례는없다. 이스라엘이노와텍 (Innowattech) 사는도로에압전블록을설치하여 500kwh 발전시스템을연구중이다. 이노와텍은압전블록을 1km 설치하고차량 600여대가압전블록위를지나가면 250가구에전기공급이가능하다고주장하고있다. 압전하베스팅을통하여 35% 에너지회수시차량에서발생하는이산화탄소를전력생산으로얻는저감으로상쇄가가능하다.

Table 2 Overseas piezoelectric harvesting technology 국가기술명개발단계개발내용개발주체 미국 Micro Power Generation(MPG) 개발중 다양한에너지원을소형화 개발추진 MIT 미국 바람을이용한압전 banner 개발중 일본 진동에너지 LSI 구동전력 개발중 일본 WINDMILL 시스템 Pilot

5 직접적용한사례는없다. 이스라엘이노와텍 (Innowattech) 사는도로에압전블록을설치하여 500kwh 발전시스템을연구중이다. 이노와텍은압전블록을 1km 설치하고차량 600여대가압전블록위를지나가면 250가구에전기공급이가능하다고주장하고있다. 압전하베스팅을통하여 35% 에너지회수시차량에서발생하는이산화탄소를전력생산으로얻는저감으로상쇄가가능하다. 도로에설치하는압전블록은설치는물론관리도까다롭지않아태양광이나풍력발전기에비해설치비용이 50% 가까이저렴한것으로알려지고있다. Fig. 3 Piezoelectric power system in Israel 이외에도다양한국가및연구소에서압전응용기술을이용하여활발하게연구하고있다. Table 2 Overseas piezoelectric harvesting technology 국가기술명개발단계개발내용개발주체 미국 Micro Power Generation(MPG) 개발중 다양한에너지원을소형화 개발추진 MIT 미국 바람을이용한압전 banner 개발중 일본 진동에너지 LSI 구동전력 개발중 일본 WINDMILL 시스템 Pilot 이스라엘 도로용압전발전기술 상용화 압전 banner 를통하여조명, 진동센서, 기타기기등에활용건물의미세한진동을구동전력으로사용도로램프그동을위해서압전소자를이용한 WINDMILL 시스템개발도로용압전블록으로자동차도로에실제적용배터리없이스위치를눌렀을 조지아공대히타치제작소 NEC-TOKIN Innowattech 독일 Transmitter Module 에압전 방식의 Power Generator 상용화 때발생하는에너지를 센서구동, RF 무선신호공수신 EnOcean 및각종변환기를

6 작동시키는데활용 2.5 압전하베스팅기술의철도적용성러시아철도연구원에서는네덜란드의 Energy Floors사와파트너십을통하여대형역사에압전발전기술을적용하여이동하는사람들의발걸음으로부터생산되는전력을현장에서사용하거나전력망으로다른곳으로보내는연구를진행하려하고있다. 비슷한시도가프랑스세인트오메르에서진행중인데, 역사보도의일부에 14개의패이브젼 (Pavegen) 에너지타일이깔려있다. 이타일들은사람들이지나가면서발생하는운동에너지를전기에너지로변환하여역사의일부전원으로사용하고있다. 앞서살펴본바와같이우리나라에서도서면역에압전블록이설치되어있다. 그러나사람의이동으로얻을수있는전기에너지는발전량으로본다면미미한수준에그치고있다. 일본등여러국가에서교량을활용하려는이유도발전량과무관하지않다. 건국대학교에서 압전소자를이용한발전기능과하중계측기능을가진교량받침의개발 이라는국가 R&D 과제를수행하였다. 하지만발전량이상대적으로미약하고, 초점이교량을통과하는차량의과적을통제하기위한시스템에맞추어져있는것으로보인다. 압전발전은외부에서작용하는압력에의한변형으로도가능하고, 진동을통해서도생산이가능하다. 철도는늘진동을동반하고있고무거운중량으로인한압력을레일에전달하고있다. 특히우리나라는선로용량이포화상태에다다르고있는실정이다. 이러한관점에서본다면철도를이용한압전하베스팅기술을접목하기에적합한기반환경을갖추고있는것으로판단된다. 3. 결론지구라는한정된공간에서우리의삶을영위하고, 후손들의터전을지켜가기에는자원과에너지의문제가크게작용한다. 화석에너지의고갈위험과이산화탄소의배출로인한환경문제는시급히해결해야할인류의과제이다. 이산화탄소의배출이없거나최소화할수있는대체에너지의개발은많이진척되었다. 대표적으로상용화되어있는태양광발전이나풍력발전은설치장소가제한적이며, 설치비가많이들어투자금회수에 10년이상이소요된다. 이에반해압전하베스팅기술은투자비가적고장소가제한적이지않다. 이스라엘의압전발전도로는 6년정도면투자비의회수가가능하다고한다. 효율성이높은압전소자의개발기술은빠르게발전되고있다. 이러한압전소자를블록화해서레일의하부에설치하고운행되는열차로부터전기에너지를생산해내고, 생산된전기에너지를열차의동력으로다시활용하는시스템이실현된다면공사의영업수지도대폭개선될것이며, 보다저렴한가격으로열차서비스를국민에게제공할수있는기틀이될것이라생각된다. 영국의시장조사기관인 ID TechEx에따르면전세계에너지하베스팅시장규모가 2020년에 43억 7000만달러 ( 한화약 4조 7294억원 ) 에달할것으로전망된다. 그중에서도압전발전은가장각광받는분야가될것이라생각된다. 이스라엘에서이미철도에압전하베스팅시스템을적용하여신호기등의전원으로활용하고있다. 기술의선점과세계시장개척을위해서압전하베스팅기술에대한선제적인투자와연구

7 가이루어져야할것이다. 참고문헌 [1] 한양대학교산학협력단 (2014) 국토교통부, 철도차량적용을위한압전하베스팅시스템개발최종보고서. [2] 건국대학교산학협력단 (2014) 국토교통부, 압전소자를이용한발전기능과하중계측기능을가진교량받침의개발최종보고서. [3] 양충헌 (2010) 압전기술을이용한도로의에너지하베스팅-이스라엘개발사례, 도로정책 Brief, 37호. [4] ARUP (2014) Future of Rail 2050, ARUP.

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1_12-53(김동희)_.hwp 본논문은 2012년전력전자학술대회우수추천논문임 Cascaded BuckBoost 컨버터를 이용한 태양광 모듈 집적형 저전압 배터리 충전 장치 개발 472 강압이 가능한 토폴로지를 이용한 연구도 진행되었지만 제어 알고리즘의 용의성과 구조의 간단함 때문에 BuckBoost 컨버터 또는 Sepic 컨버터를 이용하여 연구 가 진행되었다[10][13]. 태양광 발전