압전에너지하베스팅기술동향및전망 이수진한국과학기술정보연구원중소기업정보지원센터 김상우한국과학기술정보연구원중소기업정보지원센터 함영복한국기계연구원극한기계부품연구본부 01 압전에너지하베스팅기술동향및전망 이수진 - 내지.indd 1 2013-11-27 오후 2:56:26
02 2013 정보분석보고서 이수진 - 내지.indd 2 2013-11-27 오후 2:56:26
차례 에너지수확 (harvesting) 왜하는것일까? 05 진동에너지하베스팅이란무엇일까? 09 압전에너지하베스팅이란무엇일까? 13 어디에응용하고현재세계적인연구동향은어떠한가? 27 압전에너지하베스팅산업의동향과시장의전망은? 49 압전에너지하베스터로펼쳐질미래는? 55 참고문헌 59 03 압전에너지하베스팅기술동향및전망 이수진 - 내지.indd 3 2013-11-27 오후 2:56:26
04 2013 정보분석보고서 이수진 - 내지.indd 4 2013-11-27 오후 2:56:26
에너지수확 (harvesting) 왜하는것일까? 05 압전에너지하베스팅기술동향및전망 이수진 - 내지.indd 5 2013-11-27 오후 2:56:26
에너지수확 (harvesting) 왜하는것일까? 에너지하베스팅의기술개요 06 2013 정보분석보고서 전기에너지는다양한기기를구동하는핵심동력으로수력, 화석연료, 핵연료등다양한형태에서얻어지며배터리등에저장되어사용되고있다. 그런데에너지원료가고갈되고기존화석연료, 핵연료등은공해물질을발생시키므로깨끗하고무한정사용할수있는새로운에너지원인에너지하베스팅에대한관심이집중되고있다. 에너지하베스팅이란태양광, 진동, 열, 풍력등과같이자연적인에너지원으로부터발생하는에너지를전기에너지로전환시켜수확하는기술을일컫는다. 한편, 전자기술의발전으로기존대형전자기기가소형화되고있으며이러한소형전자기기를구동하는에너지도감소함에따라작은규모의소형발전에대한관심이증가하고있다. 이러한소형발전에대해 에너지하베스팅, Power harvesting 또는 이수진 - 내지.indd 6 2013-11-27 오후 2:56:26
Energy Scavenging 과같은용어로많은연구가이루어지고있다. 특히 20 세기나노기술이발전함에따라기존에버려졌던미세한 에너지까지도효과적으로수확할수있는단계에이르고있다. 그림 1 에너지하베스팅의개념도 [7] 미활용기계에너지 ( 압력, 진동, 풍력등 ) 를전기에너지로변환, 활용하는기술 Moving Wind Vibration Touch 새로운개념의신재생에너지 일반적으로전기기기는배터리를통하여구동되며, 외부의전력공급원을이용하여배터리를충전한다. 현재배터리의에너지밀도는꾸준히향상되고있지만배터리가차지하는부피와무게가상당하고, 배터리가모두방전되면충전하거나교체해야하는문제점이있다. 특히, 가까운미래에많이사용될것으로예측되는유비쿼터스센서네트워크는저전력 CMOS를이용한무선통신모듈과센서를부착한센서노드를넓은지역에임의적으로분포시켜센싱하고센싱자료를무선으로보내는것을특징으로하고있으나주기적으로배터리를교체해야하는근본적인문제점을가지고있다. 넓은지역에임의로분포된센서노드를전선으로연결하는것은현실적으로불가능하며배터리를사용할경우에는넓은지역에산재한배터리를주기적으로교환하는어려움과배터리교체에의한공해문제가발생하는단점이있다. 07 압전에너지하베스팅기술동향및전망 이수진 - 내지.indd 7 2013-11-27 오후 2:56:26
자연에서버려지는에너지를유용한전기에너지로변환 하여이용하는에너지하베스팅은이러한소형전자기기의전원공급문제를근본적으로해결할수있는방법으로제시되고있다. 소형에너지하베스팅방법에는태양광을이용한태양발전, 기계적인에너지를이용한압전발전, 기계적인운동과전자기적현상을이용한발전및용량성 (capacitive) 발전, 폐열을이용한열전발전등이있다. 각각의방법은장단점을가지고있으며주어진자연환경에적합한방법이선택되어적용될수있다. 예를들면, 태양발전의경우생성되는에너지양은크지만흐린날이나실내에서는사용할수없는단점이있다. 반면, 압전에너지하베스팅은표 1에서와같이다른발전방법에비해에너지밀도가높고, 기후에관계없이실내외기계진동을이용할수있고, 풍력, 바다의파도등다양한형태의기계적에너지를전기에너지로변환할수있어많은연구가진행되고있다. 본보고서는압전에너지하베스터의일반적인내용과연구동향, 미래연구방향및전망에대해서살펴보고자한다. 표 1 에너지하베스팅특성비교 [26] 에너지원 전력밀도 [mw/cm³] 효율 [%] 태양광 (Photovoltaic) 500 ~ 5000 5 ~ 40 압전 (Piezoelectric) 0.001 ~ 90 25 ~ 60 전자기 (Electromagnetic) 0.1 ~ 50 30 ~ 40 열전 (Thermoelectric) 50 ~ 500 0.1 ~ 10 08 2013 정보분석보고서 이수진 - 내지.indd 8 2013-11-27 오후 2:56:26
진동에너지하베스팅이란 무엇일까? 09 압전에너지하베스팅기술동향및전망 이수진 - 내지.indd 9 2013-11-27 오후 2:56:26
진동에너지하베스팅이란무엇일까? 진동에너지하베스팅개념및방식 010 2013 정보분석보고서 진동에너지를이용한에너지하베스팅 (vibration energy harvesting) 은기계적진동을전기에너지로전환하는기술로기존의태양전지, 풍력, 연료전지등과같은친환경에너지와달리주변에존재하는미세진동이나인체활동중미세한움직임으로부터발생하는소모성기계적에너지를전기에너지로무한히추출할수있는에너지개념이다. 기계적진동에너지를전기에너지로변환하는방식에는정전기 (electrostatic), 전자기 (electromagnetic), 압전 (piezoelectric) 효과등을이용하는방식이있다. 물질에힘을가하였을때전압이발생하는현상인압전효과를이용한압전에너지하베스팅은변환효율이크고소형, 경량화가가능하다는장점으로각종센서, 무선모바일소형전자기기에적합한대체에너지원으로활용가능하다. 이수진 - 내지.indd 10 2013-11-27 오후 2:56:26
그림 2 진동에너지하베스팅의방식 [9] Vibration Piezoelectric Electrostatic Electromagnetic Electricity Pre bias : Poling Strain Charge separation Voltage (across capacitor) Pre bias : DC voltage Displacement Capacitance change Voltage or charge Pre bias : Magnet Coil moving (through magnetic field) Current 011 압전에너지하베스팅기술동향및전망 이수진 - 내지.indd 11 2013-11-27 오후 2:56:26
012 2013 정보분석보고서 이수진 - 내지.indd 12 2013-11-27 오후 2:56:26
압전에너지하베스팅이란 무엇일까? 013 압전에너지하베스팅기술동향및전망 이수진 - 내지.indd 13 2013-11-27 오후 2:56:26
압전에너지하베스팅이란무엇일까? 압전에너지하베스팅의개념압전체를이용한에너지하베스팅기술은압전체에기계적변형이인가되면전기에너지가발생하는효과를이용하여주위에버려지는힘이나압력, 진동같은에너지를우리가사용가능한전기에너지로변환하여주는것을말한다. 기존의자석을이용한발전보다작은진동을전기에너지로변환하는데용이할뿐만아니라에너지변환효율또한높은장점을가지고있다. 014 2013 정보분석보고서 이수진 - 내지.indd 14 2013-11-27 오후 2:56:26
그림 3 압전에너지하베스팅의개념도 [10] 그리고압전을이용한에너지하베스팅은태양광이없는어두운곳이나밤에도발전을할수있는이점을가지고있다. 따라서항상진동이있거나압력이나힘이작용하는곳, 물의흐름이있거나바람이부는곳에서도사용될수있을것으로예측된다. 압전에너지하베스터의기본원리 압전현상이란진동, 충격등의기계에너지를전기에너지로변환하는것으로버너의점화기 (igniter), 센서등에적용되어왔다. 그러나점화기, 센서는순간적으로발생한전기에너지를감지하여활용하는것으로순간적으로발생한미세한전기에너지를축적하여언제든지쓸수있도록만든에너지하베스팅과대비된다. 실제압전하베스팅기기는기본적으로외부의기계적에너지를압전재료에전달, 전달된기계적에너지를압전재료를이용하여전기에너지로변환, 변환된에너지를전기적인회로를통하여슈퍼캐퍼시터 (supercapacitor) 나 2차전지에축전하는크게 3가지부분으로이루어져있다. 015 압전에너지하베스팅기술동향및전망 이수진 - 내지.indd 15 2013-11-27 오후 2:56:26
에너지변환효율을높이기위해서는즉, 기계적인에너지를효과적으로전기적에너지로변환, 저장하기위한방법으로첫째, 외부의진동을효과적으로압전체에전달할수있도록기계적인임피던스매칭 (impedance matching) 이이루어야하고둘째, 기계적에너지를전기적에너지로변환하는재료의전기-기계결합계수가커야하며셋째, 생성되는에너지를외부회로에전달하기위해전기적인임피던스매칭이되어야한다. 현재까지보고된연구를종합적으로살펴보면위의 3가지분야인기계, 재료, 전기회로가융합적인형태로연구되고있으며참여연구자들의전문분야에따라그접근방식이조금씩다른특징이있다. 그림 4 일반적인압전에너지하베스팅의구조 [1] 압전에너지하베스터의구조 016 2013 정보분석보고서 외부에서발생한기계적인에너지를효과적으로압전재료에전달하기위해서는기계적인임피던스매칭을해야하고진동종류에따라압전하베스터의구조가달라져야한다. 진동은표 2와같이크게 3가지로나눌수있으며각진동의특성에적합하도록압전에너지하베스터의구조가결정되어야한다. 이수진 - 내지.indd 16 2013-11-27 오후 2:56:27
표 2 기계적인진동종류분류및특징 진동의종류 준정적 (Quasi-static) 조화주파수 (Harmonic) 충격 (Impulsive) 특징 가진주파수는에너지변환장치의기본공진주파수보다훨씬낮다. 예 ) 신발, 무선버튼송신기, 에너지하베스팅힐등 낮은주파수 큰힘의작용 첫번째유형 : 변형이집중된진동구조의마디점에설치된압전체. 예 ) 회전기계 (rotating machine) 두번째유형 : 진동체의운동에너지또는가속을잡기위한질량체사용. 예 ) 헬리콥터날개 이완시간보다짧은가진시간 ( 예 : 압연, 자동차타이어 ) 가진율이 10% 이하인큰가속 기계적인진동을효과적으로전달하기위한구조는기계적인진동에관한식 (1) 을고려하여개발되어야한다. 식 (1) 에서기계적인에너지는힘과변위에의해결정되며힘의크기와변위의크기에따라압전하베스터의구조가변경되어야한다. (1) 여기에서 E는에너지, F는가해주는힘, l은변위, m은무게, a는가속도를나타낸다. 예를들면 MIT에서발표한그림 5의신발에서는사람의걸음걸이같은준정적한진동을전기에너지로변환할수있는압전하베스터를부착해야한다. 사람의걸음걸이에서뒷꿈치부분은강한압축응력을제공하며앞발가락부분은앞으로미는힘이가해지는비틀림응력이크게작용한다. 따라서압전하베스터구조도이러한응력을맞추어변경되어야한다. MIT에서신발의뒤축은세라믹을이용한썬더 (Thunder) 구조를, 앞발가락부분에는폴리머를이용한적층구조의압전하베스터를부착하였다. 이외에도펜실베니아주립대학에서는자동차엔진의큰힘을발전에이용하기위하여그림 6의심벌즈 (Cymbal) 구조를이용한하베스터를제작하였다. 017 압전에너지하베스팅기술동향및전망 이수진 - 내지.indd 17 2013-11-27 오후 2:56:27
그림 5 (a)mit 에서개발한세라믹을이용한썬더구조, (b) 폴리머를이용한적층구조의압전하베스터, (c) 신발부착개략도, (d) 신발부착사진 [14] 그림 6 펜실베니아주립대학에서제작한 CYMBAL 구조의에너지하베스터 [15] 한편, 세탁기, 전자레인지등은주기적인진동을발생하며, 발생하는진동주파수가압전하베스터의고유진동수와일치할때가장큰전기에너지가생산된다. 압전발전에일반적으로사용되는세라믹재료는매우단단하며길이 1 cm정도의압전세라믹의기계적인공진주파수는 1 MHz이내이다. 그런데표 3에서와같이대부분의주기적진동주파수는수백 Hz영역으로세라믹의길이가매우 018 2013 정보분석보고서 길어야공진주파수를외부진동주파수와일치시킬수있다. 따라서 공진주파수를낮추기위해서캔틸레버형 [cantilever: 외팔보 ] 의에너지 하베스터를많이이용한다. 이수진 - 내지.indd 18 2013-11-27 오후 2:56:27
그림 7 KIST 에서제작하여진공펌프에부착한캔틸레버 ( 오른쪽 ), 버클리에서제작한캔틸레버 ( 왼쪽 ) [16] 캔틸레버형압전에너지하베스터는공진주파수에서최대변위를 나타내며이때생성되는에너지가최대가된다. 표 3 진동원의종류및특성 진동원 최고주파수 (Hz) 최대가속 (m/s 2 ) 부엌믹서케이싱 121 6.4 의류건조기 121 3.5 도어프레임 ( 문닫힌후 ) 125 3 작은전자레인지 121 2.25 사무실환기구 60 0.2 ~ 1.5 사람들이걷는나무갑판 385 1.3 빵메이커 121 1.03 번화가옆의외부창문 (2ft x 3ft 크기 ) 100 0.7 CD를읽는동안의노트북컴퓨터 75 0.6 세탁기 109 0.5 나무프레임으로만들어진사무실건물의 2 층으로이어지는계단 28 ~ 100 0.2 냉장고 240 0.1 한편진동원의주파수를캔틸레버의고유주파수와일치시키면큰변위를얻을수있으나진동원의주파수가캔틸레버의고유주파수에서벗어나면변위가급격히줄어들어출력이급격히감소한다. 이러한캔틸레버의진동원주파수에대해감도는캔틸레버의기계적품질계수로표현되며진동원의주파수변화에따른출력특성의급격한 019 압전에너지하베스팅기술동향및전망 이수진 - 내지.indd 19 2013-11-27 오후 2:56:28
변화를방지하기위해서는적절한대역폭 (bandwidth) 를가지는캔틸레버구조가필요하다. 몇몇연구자들은캔틸레버의진동원주파수변화에따른출력의감소를억제하기위해캔틸레버의형태를지능적으로변화시키는연구를수행하고있다. 압전재료의성질압전재료에서생성되는전기에너지는식 (2) 와같이재료특성인전기-기계결합계수 (k, electro-mechanical coupling coefficient) 에의해결정되며주어진진동에서많은전기에너지를얻기위해서는전기-기계결합계수가큰재료개발이필요하다. (2) u는생성되는최대전기에너지, Y는재료의영률 (Young s modulus), T는재료에가해주는응력의크기를나타내며재료의전기- 기계결합계수 (k) 는식 (3) 과같이표현된다. (3) 여기에서 d 는재료의압전상수, e 는재료의유전율을나타낸다. 020 2013 정보분석보고서 대표적으로많이사용되는세라믹압전재료로는 Pb(ZrTi)O 3 (PZT) 가있으며폴리머압전재료는 PVDF(Poly-Vinylidene Di-Fluoride) 가있다. 세라믹압전재료인 PZT의기계-전기결합계수는 k = 0.5로 PVDF의 k = 0.2보다큰장점이있으나폴리머에비해단단하여적은진동으로에너지가발생될수없으며, 잘깨져서큰변형에는사용할수없는단점이있다. 반면, 폴리머는유연하여큰변위에사용될수있으나전지-기계결합계수가작다는단점이있다. 따라서세라믹의높은전기-기계결합계수와폴리머의유연성을이용한세라믹-폴리머복합재료를사용한하베스터를제작하기도한다. 이수진 - 내지.indd 20 2013-11-27 오후 2:56:28
그림 8 Smart Materials 사의매크로합성섬유와이를이용한에너지하베스터 [20] 그림 9 압전재료의전류생성개념도 [1] 강유전특성을가지는재료는일반적으로압전특성이우수하며그림 9와같은이력곡선을보인다. 강유전재료를폴링하면일정방향으로자발분극을 (Pr) 가지게되며분극이배열된재료에힘 (F) 를가하면재료의분극변화는 ( P) 식 (4) 와같이발생하며재료를외부저항과연결하면식 (5) 와같이전류가발생한다. (4) D는전기변위 (electrical displacement) 로강유전재료에서분극 (P) 와거의같은값을가지며 d는압전상수, T는가해주는응력 (F/A), T 는일정응력조건에서유전율을나타낸다. E는재료에가해주는전기장의크기를나타내며대체로압전에너지하베스터에전기장을가해주지않으므로 0값을가진다. 021 압전에너지하베스팅기술동향및전망 이수진 - 내지.indd 21 2013-11-27 오후 2:56:28
(5) 022 2013 정보분석보고서 여기에서 i는생성되는전류의크기를나타내며압전재료의면적과분극변화에비례하며시간변화에반비례한다. 위식에서시간의변화는진동원의주파수에의해결정되므로빠른진동환경에서많은전류를생산한다. 또한재료의분극변화는식 4에서와같이재료의고유특성인압전상수에비례하므로압전상수가큰재료를개발하거나재료의면적을크게하여생성되는전류량을크게할수있다. 일반적으로압전에너지하베스터에의해생성된전류는그양이매우적어슈퍼캐퍼시터또는 2차전지에충전한후센서노드를구동하는데이용된다. 그런데만약발생전압이슈퍼캐퍼시터나 2차전지의전압보다높다면충전시간은전류량의크기가클수록짧아지므로발생하는전류량을증가시켜야한다. 따라서충전시간을줄이기위해서분극변화가큰재료개발과생성되는전류량을증가시킬수있는연구가필요하다. 생산되는전류값을증가시키는위하여전극구조를변경하거나압전체의방식을 (d 31 또는 d 33 ) 변화로만드는연구도수행되었다. 전류량을증가시키기위한또다른방법으로다층구조의세라믹을활용할수있다. 다층구조로제작할경우압전체의두께가얇아져발생하는전압은낮아지나생성되는전류량은압전체에사용되는전극의면적, 즉압전체층수에의해서증가한다. 전류를증가시키는다른방법은주어진응력에서분극변화를크게할수있어야한다. 이론적으로외부응력에따른분극변화의크기는압전상수와비례하는것으로압전재료의종류에따라다르며, 일반 PZT계압전재료의경우부드러운재료가단단한재료보다크다. 그러나부드러운 PZT세라믹의특성은수많은영역 (domain) 이통계적으로배열되면서나타나는것이므로최대의특성을얻기위해서는분극을한 이수진 - 내지.indd 22 2013-11-27 오후 2:56:28
방향으로배열하는단결정이보다유리하다. 그림 10은 <111> 방향으로자발분극을가지고있는마름모 (Rhombohedral) Pb(Zn 1/3 Nb 2/3 )O 3 - PbTiO 3 ( P Z N - P T ) 결정을 <001> 방향과 <111> 방향으로배열한후전압을가했을때나타나는분극변화를보여주고있다. <111> 방향의자발분극이 <001> 방향으로가해준전압에의해 <001> 방향으로회전하면서나타내는분극변화가 <111> 방향의자발분극을 <111> 방향으로전압을가했을때나타나는분극변화보다크다. 이와같이단결정상 (phase) 의종류, 결정방향, 분극방향에따라서로다른크기의분극변화를얻을수있으며이를이용한고밀도에너지생산용압전하베스터개발연구가이루어지고있다. 그림 10 마름모구조의결정을 <001> 방향과 <111> 방향으로분극하여전압을가했을때나타나는분극크기변화 [3] under bias along<001> under bias along<111> no bias, after poling Poling Direction<001> <001> <111> Poling along <111> 압전에너지하베스터를구성하기위한전기회로 압전하베스터에의해생성된교류전압을슈퍼캐퍼시터나 2차전지에충전하기위해서는정류다이오드와평활화캐퍼시터를이용하여직류로변환시켜야한다. 그런데압전재료는전기적으로전압발생기, 유전체, 저항의조합으로외부저항이변화함에따라생성되는에너지가변화한다. 특히주기적인진동으로발전기에서생성되는최대에너지는외부임피던스가 (Z L ) 특정주파수에서진동하는압전체의임피던스와일치할때, 즉전기적인임피던스매칭 (impedance-matching) 조건에서나타나며전기적인임피던스정합은식 (6) 에의해결정된다. 023 압전에너지하베스팅기술동향및전망 이수진 - 내지.indd 23 2013-11-27 오후 2:56:28
(6) f 는압전에너지하베스터의진동주파수, C 는진동주파수에서 압전재료의정전용량 (capacitance) 을각각나타낸다. 그림 11 외부저항의변화에따라생성되는파워변화 ( 예 : KIST 에서제작한적층형압전세라믹을이용하여측정한결과 ) [21] 생성되는에너지를효과적으로외부에전달하기위해서는외부저항과압전체의저항을일치시킬수있는전기회로구성이필요하다. 현재까지보고된전기회로는크게그림 12 ~ 그림 14의 3가지로파악되며생성되는에너지양과동작할에너지양, 제작비용을고려하여적절한회로가구성되어야한다. 그림 12 정류다이오드, 평활화캐퍼시터 (Cr) 를가지는단순회로 [15] 024 2013 정보분석보고서 그림 12 는정류다이오드와평활화캐퍼시터를가지는외부 임피던스의조정없이사용하는가장간단한회로이다. 수동소자로만 이루어져있어회로를구동할전원이필요없어생성되는에너지양이 이수진 - 내지.indd 24 2013-11-27 오후 2:56:28
적을때많이사용된다. 그림 13 펜실베니아주립대학에서개발한 DC/DC 변환기 (converter) 를이용한회로의모식도와회로 [15] Temporary Storage Energy Storage Device 그림 13은앞회로에서평활화캐퍼시터와외부부하 ( 슈퍼캐퍼시터또는 2차전지 ) 사이에 DC/DC 변환기를둔것으로 PWM (Pulse Width Modulation) 을이용사용율 (duty cycle) 을조절하여효율을높인회로이다. 그러나이회로를구동하기위해서는전원이필요하므로생성되는에너지가회로를구동하는데사용되는에너지보다클때사용할수있다. 그림 14 Series 형태의 SSHI(Synchronous Switch Harvesting on Inductor) 회로와발생하는전압, 전류모양 [15] 그림 14 는압전재료를이용한댐핑 (damping) 연구결과를응용한 회로로압전체의변위와전기적인회로 (S) 의단락을동기화시켜서 발생하는전류를최대로만들수있음을보여주고있다. 025 압전에너지하베스팅기술동향및전망 이수진 - 내지.indd 25 2013-11-27 오후 2:56:28
026 2013 정보분석보고서 이수진 - 내지.indd 26 2013-11-27 오후 2:56:28
어디에응용하고 현재세계적인연구동향은 어떠한가? 027 압전에너지하베스팅기술동향및전망 이수진 - 내지.indd 27 2013-11-27 오후 2:56:28
어디에응용하고현재세계적인연구동향은어떠한가? 압전에너지하베스팅의연구동향압전에너지하베스팅은큰규모의발전장치부터소형나노기계까지다양한분야에서응용연구가활발히진행되고있다. 본장에서는압전에너지하베스터의연구동향및응용사례에관하여소개하고자한다. 그림 15 압전나노발전소자기술의출원특허및발표논문동향 [6] 028 2013 정보분석보고서 출원건수 30 25 20 No. ofpublications 40 Nanogeneragor 36 35 30 30 25 15 20 17 15 13 10 10 8 5 5 2 1 1 0 0 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 출원년도 Publicaiton Year 이수진 - 내지.indd 28 2013-11-27 오후 2:56:28
그림 15는현재까지나노선기반의나노발전소자기술발표논문수를그래프로나타낸것이다. 압전나노구조체기반의나노발전소자에대한연구논문은 2011년까지 108건이발표되었다. 나노구조체제조기술이발전함에따라 2006년이후매년크게증가하였으며전세계적으로많은연구가진행되고있음을알수있다. 그림 16 기계적에너지수확및응용분야 [6] 그림 16과같이압전에너지하베스팅은군수용발전장치, 의료용장치의보조전원, 자동차의 2차발전장치, 착용가능한 (wearable) 전자제품등에적용하기위한연구가진행중에있으며유비쿼터스센서네트워크 (USN) 의에너지원으로검토되고있다. 이밖에도인공심장, 심장박동기등인체에적용하는응용이나건축구조물진단용센서전원등의소규모전원, 로봇등의차세대전자장치의전원으로응용가능성에대한연구가진행중이다. 현재미래의다양한응용을위해서미국, 독일을중심으로연구가활발히진행되고있으며특히미국의경우캘리포니아버클리대학기계공학과, 펜실베니아주립대학의음향및진동연구센터, 버지니아폴리텍연구소및주립대학의지능형재료시스템및구조연구센터를중심으로이론적접근뿐아니라에너지하베스팅기술과관련된회로연구도수행하고있다. 029 압전에너지하베스팅기술동향및전망 이수진 - 내지.indd 29 2013-11-27 오후 2:56:29
버어지니아공과대학에서는세라믹 - 폴리머압전복합재를이용하여 2 차전지에충전하는연구를수행하였으며텍사스의알링톤대학에서는 풍차에압전체를이용한발전을연구하였다. 그림 17 텍사스알링톤대학에서제작한압전체를이용한풍차 [24] 유럽에서는 VIBES (Vibration Energy Scavenging) 이라는컨소시움을구성하여영국, 독일, 프랑스, 이태리등에서활발하게연구하고있다. 독일의 EnOcean사는 Siemens사에서분리된회사로압전에너지하베스터와센서를일체화한센서노드를판매하고있다. 이태리 Tyndall National Institute에서는 PVDF를신발에적용한연구를수행하였다. 프랑스리용 INSA에서는에너지하베스팅회로연구를활발히진행하였다. 벨기에 Interuniversity Microelectronics Center 에서는 MEMS기술과압전소자를이용해기계적진동으로부터 40μW의전력을얻을수있는부품을개발하였다. 일본에서는기업을중심으로아이디어상품을많이제조하여판매하고있으며대학을중심으로다양한종류의연구를수행하고있다. 030 2013 정보분석보고서 이수진 - 내지.indd 30 2013-11-27 오후 2:56:29
그림 18 일본 NEC-Tokin 에서제작설치한에너지하베스터응용예 [15] Piezoelectric bimorph Fiber composite ball PZT Ceramic Holder 현재대부분의압전에너지하베스터를큰크기로제작하고있으나미래의유비쿼터스용센서네트워크에이용하기위해서는소형화가이루어져야한다. 이를위해서 MEMS공정을이용한연구가미국, 중국등에서진행되고있다. 그림 19 미국 MIT 에서 MEMS 를이용하여제작한압전에너지하베스터의구조 [22] Interdigitated Electrode Proof Mass PZT ZrO 2 membrane Si 또한미래의웨어러블컴퓨터 (wearable computer) 를실현하기위한고효율유연한압전에너지하베스터개발연구가활발하게진행되고있다. 더불어작은크기의변형에서도발전할수있도록나노구조발전에대한연구도학계를중심으로활발하게진행되고있다. 압전에의한에너지수확기술은다양한분야에서응용되고있는데 031 압전에너지하베스팅기술동향및전망 이수진 - 내지.indd 31 2013-11-27 오후 2:56:29
응용사례로아래그림 20과같이기기가소비하는에너지스케일에따라분류하자면매크로 (macro scale) 와마이크로 (micro scale) 로나눌수있다. 보통사람이나자동차등기계적동작을이용한발전부터충전을통해보조전력또는대용량발전까지를매크로 (macro) 로분류하고, MEMS기반압전발전으로소량의진동이나충격으로발전하여센서, 소형전자기기전원및보조전원으로사용되는기술을마이크로 (micro) 로구분하고있다. 그림 20 전자기기소비전력및응용장치 [6] 032 2013 정보분석보고서 압전에너지하베스팅이구체적으로응용되고있는사례를분야별로 소개하자면다음과같은것들이있다. 이수진 - 내지.indd 32 2013-11-27 오후 2:56:29
마이크로스케일 (micro scale) - 에너지변환및저장이가능한자가충전파워전지미국조지아공대 (Georgia Institute of Technology) Zhong Lin Wang 교수가이끄는연구진은기계적에너지를화학적에너지로직접변환하여자가충전이가능한파워전지를개발하였다. 단순한전기생산에서벗어나에너지생산-저장이동시에가능한효율적인혼합형전지이다. 연구결과는 2012년 8월 9일자 Nano Letters지에 Hybriding Energy Conversation and Storage in a Mechanicalto-Electrochemical Process for Self-Charging Power Cell 이란제목으로게재됐고이번연구는미국의국방첨단과학기술연구소 (DARPA/Defense Advanced Research Projects Agency), 미공군, 에너지성 (DOE) 의자금지원을통해이루어졌다. - 소형센서노드구동을위한소형발전 그림 21 미시간대학연구진이발명한새로운에너지하베스터 [31] 미국미시간대학에서는 USN 센서노드구동을위한소형발전기를 MEMS기술을이용하여제작하였다. 하베스터의크기는약 27mm3정도이며 155Hz의동작주파수와 14Hz의대역폭을가지고있으며 1.5g 진동에서 20μW정도의에너지를생산하여 1.85V의슈퍼캐퍼시터에충전한다. 이는현재까지개발된것보다 5~10배더효율적이며크기는미화 1센트동전보다작다. 033 압전에너지하베스팅기술동향및전망 이수진 - 내지.indd 33 2013-11-27 오후 2:56:29
그림 22 IMEC 에서실현한마이크로머신압전변환기의상위사진 [32] 네덜란드 IMEC에서도 PZT박막을 MEMS공정으로가공하여압전발전기를제조하였다. 이새로운하베스터는 1.8kHz 공진주파수 180nm 진동에서최대 40uW를생산한다. 이론적으로이디바이스는 10년 ~20년동안정기적인유지보수없이작동할수있으며, 의료및자동차산업에사용될수있다. - 달리는타이어의운동을이용한발전기 그림 23 (a) 차량이동중타이어, (b) 형상변화, (c) 실험설정스케치지도, (d) 나노발전기를접착테이프를이용하여타이어내면에고정 [33] 미국조이아공대의 Wang 교수는 ZnO 나노와이어를이용하여 034 2013 정보분석보고서 압전발전기를제작한후달리는타이어에적용하였다. 연구결과는 회전하는타이어로부터에너지를수확하는나노발전기와자가발전 압력 / 속도센서로서의응용 이라는제목의논문으로 Advanced 이수진 - 내지.indd 34 2013-11-27 오후 2:56:29
Materials에게재됐다. 연구팀이구축한실험조건하에서나노발전기를타이어에장착하고운전하여 1.5V 전압과 25nA의전류로 LCD 스크린을직접밝힐수있다. 제작한압전발전기크기는약 1.5cm 0.5cm 크기이며최대파워밀도는 70 μw / cm3이다. 매크로스케일 (macro scale) - 발전기구조변경을통한발전효율증대연구 그림 24 (a) 다층스텍및압전에너지수확기구성도, (b) 제 1 압전에너지수확기시작품 [34] F Z COPMS SIPMS COPMS Energy Harvesting Circuitry F Z Frame Piezoelectric (a) (b) 미국 NASA의 Xu 박사등은압전발전기의효율을증가시키기위하여 PZT 벌크세라믹을적층한후그림 24와같은구조로제작하였다. 일반적인세라믹의경우기계-전기에너지변환효율이 7% 인데새롭게제작한구조는 26% 를보인다고보고되었다. 위그림 ( 왼쪽 ) 은하나의직선내부압전다층스택구조를가진압전하베스터및 2개의곡선외부압전다층스택도형을보여주고있으며그림 ( 오른쪽 ) 은이들이개발한압전하베스터시제품이다. - 주파수에대한민감성을조정하여발전효율향상일반적으로압전발전은압전발전기의고유진동수가공진주파수와일치할때최대가되며압전발전기의고유진동주파수가공진주파수에서벗어날때급격하게발전효율이감소한다. 미국 MIT대학의 035 압전에너지하베스팅기술동향및전망 이수진 - 내지.indd 35 2013-11-27 오후 2:56:29
김상국교수는비교적넓은범위에서공진주파수를가질수있도록 PZT박막에 MEMS공정을적용하여소형압전발전기를제작하였다. 입력되는기계에너지크기는정확하게나타나있지않지만주파수조정을통해서기존 PZT MEMS형발전기보다 100배이상의파워를생산하였다. - 빗방울을이용한발전 그림 25 프랑스연구자들에의해제작된빗방울에너지수확장치 (2008) [35] 압전재료의잠재적이용중하나는빗방울의기계에너지를전기로변환하는것으로센서및포터블전기장치와같은저전력응용에사용할수있다. 프랑스연구자들은 PVDF를이용하여빗물의낙하에너지를전기에너지로변환시키는연구를수행하였으며, 1 ~ 5mm 크기의빗물은전기에너지를생산할수있을것이라고발표하였다. 계산결과에따르면폭우가쏟아지는환경에서 12 mw정도의에너지를생산할수있다고한다. 넓은면적의 PDVF를이용하여해저나강물아래에설치하여향후이를이용하여배터리교환이나전력공급이힘든해저나대양의바다위의센서나부표의무한동력전원으로사용이가능할것으로예상된다. 036 2013 정보분석보고서 이수진 - 내지.indd 36 2013-11-27 오후 2:56:29
- 사람들걷는운동을활용한에너지하베스팅 그림 26 Powerleap 에서개발한발전기개념도및발전기를이용한발전 [36] 1. Battery 2. Light 3. Machinery 5. Sound 6. Displays 7. Doorways 4. Signage 볼튼대학교와미국에기반을둔클린-기술회사인 POWERleap사는사람들이밟고다닐수있는바닥판을만들어발전하는것을시연하였다. 이기술의핵심은재료가기계적인스트레스를받을때전압이생성되는자연적인형상인압전기 (piezoelectricity) 기술이다. LED조명이나무선전자기기같은장치에전원을공급하기위해걷고춤추는것과같은운동움직임에내포된에너지를처리하기위해압전기기술을사용한다. 이제품은소매체인점, 열차정거장, 공항, 극장, 클럽등조명을주는곳에사용가능하다. 압전발전기에대한구체적인물질, 디자인에관한내용은보고되어있지않으며실제상업화하여판매하고있는지에관한정보는알수없는상태이다. POWERleap사는이미미국, 영국, 사우디아라비아에서프로젝트를파일럿시험하였으며작년에개발한제품을아부다비에서개최된세계미래에너지서밋 (World Energy Summit) 에전시했다. 세계시장조사회사 Frost & Sullivan사는최근클린-에너지하베스팅 037 압전에너지하베스팅기술동향및전망 이수진 - 내지.indd 37 2013-11-27 오후 2:56:29
기술과에너지효율적인조명기술을산업화에가까운 50 대기술로 선정한바있다. - 음파를이용한나노발전기 그림 27 산화아연나노와이어와발전성능에따라소리주도압전나노발전기의개략도 [37] 200 150 Cell 1 Cell 2 Cell 1 + Cell 2 100 Voltage(mV) 50 0-50 -100-150 0 20 40 60 80 Time(ms) 성균관대학교김상우교수팀은 ZnO나노와이를 GaN위에성장하고음파를이용한발전을보고하였다. 약 100 db의소리를가했을때약 50 mv의교류가발생하고, ZnO를 PdAu 금속과접합함으로써쇼트키 (Schottky) 접촉을한다고보고하였다. - 풍력을이용한압전발전나무나무의잎처럼압전발전기를부착하여발전하는개념을제시하였다. 바람의흐름에서도움직일수있도록유연한 PVDF를이용하여발전기를제작하였으며공기역학을고려하여다양한모양의압전발전기를제작하였다. 프로세서결과약 2cm의실린더에서 4.5 m/s의바람이불때 100 pw의파워가측정되었다. 038 2013 정보분석보고서 이수진 - 내지.indd 38 2013-11-27 오후 2:56:29
그림 28 딕슨이스케치한 압전트리 발전기 [38] - 도로교통을이용한압전발전 그림 29 Inowattech 서개발한압전발전기의실험예시 [39] 이스라엘하베스팅업체인 Inowattech는도로에압전발전기를설치하여자동차로부터에너지를수확한다. 1km 도로에서시간당최대 200kw/h를발전하였고철도에설치시 1km 철길에서최대시간당 120kw/h의발전량을보였다. 일본에서도사람이나차등이통과할때발생하는진동에너지를이용하여마루내부에매입된압전변환소자에의해발전을하는 발전마루 을개발하였다. 이렇게수집하고저장된전기를이용하여교통신호등이나거리의가로등, 그리드로전달되어전력을사용할수있게된다. 039 압전에너지하베스팅기술동향및전망 이수진 - 내지.indd 39 2013-11-27 오후 2:56:29
- 에너지블록, 압전배틀, 압전신용카드국내기업인센불 ( 주 ) 는압전발전원리를이용한상업화에많은노력을하고있으며에너지블록, 압전배틀, 불빛이나오는신용카드등을제조하고있다. 또한자사홈페이지에압전발전관련응용제품에관한많은정보를제공하고있다. 그림 30 ( 주 ) 센불에서상용화한압전블록및신용카드 [40] 신용카드에압전발전기를삽입한후 LED 와연결시켰다. 신용카드를 약간구부릴경우 LED 에불이들어와신용카드를쉽게선택할수있다. 그림 31 ( 주 ) 센불에서개발 / 설치한압전베틀 [41] 040 2013 정보분석보고서 이수진 - 내지.indd 40 2013-11-27 오후 2:56:30
사람들이압전발판에올라가서누를경우생산되는에너지가 수치적으로표시된다. - 압전발전기용세라믹-폴리머컴포지트 Smart materials회사에는압전발전용으로사용할수있는세라믹-폴리머컴포지트및컴포지트를다른기판에부착하여제작한캔틸레저를판매하고있다. 세라믹-폴리머컴포지트는매우유연하여작은크기의진동에서도쉽게변형되어발전할수있다. 반면컴포지트를탄성이우수한기판에부착하여제작한캔틸레버는주기적인진동환경에쉽게적용될수있을것으로판단된다. 그림 32 Smart materials 에서제작한압전발전용장치 [20] 세라믹 - 폴리머컴포지트 세라믹 - 폴리머컴포지트를탄성체에부착하여제작한캔틸레버 압전발전기용전기회로 압전발전기를장착하여사용할무선송신기 - 배터리없는리모콘프랑스 Arveni사는압전현상을이용하여배터리없는리모콘을개발하였다. 리모콘버튼을누르거나들고다닐때생기는에너지, 기차가지나가면서발생하는압력및진동에의한에너지를전기에너지로전환함으로써충전및배터리가필요없는리모컨의 041 압전에너지하베스팅기술동향및전망 이수진 - 내지.indd 41 2013-11-27 오후 2:56:30
상용화가가능할것으로보인다. 또한기차철로에도압전발전을 적용한사진을홈페이지에게시하고있으며압전발전기를센서모듈에 적용하려는노력을하고있다. 그림 33 Arveni 사에서개발후상용화예정인압전현상이용장치 [41] Arveni 사의압전발전기 (120g, 40 x 145 x 40 mm3) 철로에적용한사진 배터리가없는적외선리모콘 펄스형태의발전기로한번누르면 2mJ 에너지를생산가능함 이렇게구동되는전자부품의소비전력에따라분류된상용화 예정인제품이외에도다양한압전에너지하베스팅을응용한연구가 이루어지고있다. 042 2013 정보분석보고서 이수진 - 내지.indd 42 2013-11-27 오후 2:56:30
다른발전과융합한하이브리드발전장치 - 태양전지 + 압전발전기 그림 34 PVDF 압전체와태양전지를기반으로한하이브리드에너지수확기 [42] (a) (b) Top electrode(ito/pes) PVDF nanogenerator Si NP solar cells Bottom electrode 성균관대학교에서연구한내용으로 Si Nanopillar 태양전지와 PVDF 압전체를하이브리드한발전기로태양전지와진동에너지를 동시에활용한발전기구조이다. - 압전발전기 + 수소생산 그림 35 위스콘신대학교에서개발한압전전기 (piezoelectrochemical_ 속성을가진트리모양의마이크로 덴드라이트 [43] 미국위스콘신대학의 Xu교수는압전재료인 ZnO 또는 BaTiO3를나노크기의나뭇가지처럼성장시킨후초음파를가했다. 표면에양이온과음이온이분리되어생성되었으며생성된이온을이용하여수소를분해하는연구를수행하였다. 043 압전에너지하베스팅기술동향및전망 이수진 - 내지.indd 43 2013-11-27 오후 2:56:30
- Flexible 발전기한국 KAIST 재료공학과연구팀은압전세라믹나노입자들을이용한저비용, 대면적나노발전기술을개발했다. 이연구팀은 polydimethylsiloxane (PDMS) 폴리머에압전특성을보이는 BaTiO3 분말과 CNT를혼합하여유연한압전발전기를제작하였다. 이결과는 Advanced Materials에 Flexible Nanocomposite Generator Made of BatTiO3 Nanoparticles and Graphite Carbons 라는제목으로게재되었다. 그림 36 신축압전 PZT 리본 [44] 그림 37 휘어지고 / 웨이브가있는 (buckled/wavy) 압전 PZT 리본, (a) 기술원리개략도 (b)pzt 리본의 SEM 이미지 (c)pzt 리본의주어진조건하의자발적으로휘어진사진 [45] 044 2013 정보분석보고서 미국프린스톤대학에서는 PZT 막을단단한 MgO 기판에성장한 후, 미리잡아당긴 PDMS 폴리머위에전사하였다. 잡아당겨진 PDMS 폴리머가원상태로수축되면서 PZT 리본이울퉁불퉁한형태로 이수진 - 내지.indd 44 2013-11-27 오후 2:56:30
된다. 울퉁불퉁한 PZT 리본에힘을가할경우, 직선으로된 PZT 에비해 큰변형을일어나며높은출력을얻을수있다. - 유연압전발전기 그림 38 그래핀시트사이에끼워진압전산화아연나노로드를기반으로완전히감는것이가능한투명 나노발전기의설계도 [42] 국내삼성전자와성균관대학교의공동연구팀은 ZnO 나노선을기반으로하는투명유연나노전력발전소자로그래핀 (Graphene) 박막이상하의전극을이루는압전발전소자를발표하였다. 이러한투명유연나노전력발전소자는자체충전이가능한터치스크린디스플레이어나작은바람에의해서도충전이되는나노소자와같이새로운형식의에너지하베스팅기술등에폭넓게응용될수있다. 압전발전기효율증대를위한새로운재료개발 - 그래핀의압전특성을이용한나노발전기 그림 39 구부림이나압박, 뒤틀림시전기를생산하는그래핀격자에부착된리튬원자 ( 적색 ) [46] 045 압전에너지하베스팅기술동향및전망 이수진 - 내지.indd 45 2013-11-27 오후 2:56:30
미국스탠포드대학에서는그래핀을잘조절할경우압전특성을얻을수있다는결과를발표하였다. 압전그래핀은터치스크린에서나노스케일트랜지스터에이르기까지다양한응용프로그램에대한전기, 광학, 기계적컨트롤의비교할수없는수준을제공할수있다. 버클리국립연구소의 NERSC와육군고성능컴퓨팅연구센터에서스탠포드대학의그래핀을이용한압전기술을지원하고있다. - PMN-PT 단결정을이용한 MEMS 발전기 그림 40 마이크로머신액츄에이터와에너지하베스팅장치에대해보고된다른값을가지는압전 PMN-PT 필림의 성능지수비교 [47] 30 0.5 Transverse piezoelectric coeffcient -e 31.f (C/m 2 ) 25 20 15 10 5 0.4 0.3 0.2 0.1 Energy Harvesting Figure of Merit e 31.f 2/ε r (C 2 /m 4 ) 0 AIN BNN-BKT-BT KNN PMN-35PT Random PZT 001 PNN-PZT 001 PZT Gradient-free PZT This work 0 압전발전기를소형으로제작하기위해서는기계적인에너지를효과적으로전기에너지로변환할수있는재료가필요하다. 대부분의 MEMS는기판으로반도체전자기술의표준물질인실리콘을사용한다. 압전박막을크기가마이크로미터에서수밀리미터인실리콘기반 MEMS 디바이스에통합하면진동이나운동에너지를수확할수있는능동소자를제작할수있다. 최근미국위스콘신주립대학의연구팀은 Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3 막을실리콘위에증착한 046 2013 정보분석보고서 후 MEMS 공정을이용하여압전발전기를제작하였다. 위의그림 40 에에너지하베스팅에쓰이는다른물질들과비교하였다. 그 결과 PMN-PT 막을이용한발전기는기존의 PZT 에비해매우높은 이수진 - 내지.indd 46 2013-11-27 오후 2:56:30
발전특성이나타났다. PZT에비해조성을정확하게제어하기어려운단점은있지만특성이우수한단결정재료로제작한에너지하베스팅디바이스는교각, 항공및인체센서를위한무선센서노드를위한휴대용출력소스로사용될수있다. 047 압전에너지하베스팅기술동향및전망 이수진 - 내지.indd 47 2013-11-27 오후 2:56:30
048 2013 정보분석보고서 이수진 - 내지.indd 48 2013-11-27 오후 2:56:30
압전에너지하베스팅산업의 동향과시장의전망은? 049 압전에너지하베스팅기술동향및전망 이수진 - 내지.indd 49 2013-11-27 오후 2:56:30
압전에너지하베스팅산업의동향과시장의전망은? 압전에너지하베스팅의산업동향지구에너지문제를해결하기위하여에너지하베스팅에관한연구는지속적으로확대될것으로판단된다. IDTechEx에의하면압전발전은 2018년까지 1억4천 500만달러, 2022년까지 6억 6천 700만달러의시장이형성될것으로전망하였다. 현재압전발전기는주로라이터등을포함하여 1억개정도의장치에적용되고있지만 2022년에는보다다양한분야에응용되어 3억개이상의장치에응용될것으로전망된다. 050 2013 정보분석보고서 이수진 - 내지.indd 50 2013-11-27 오후 2:56:30
그림 41 국내에너지하베스팅연구기관및상용화기업의현황 [7] 국내의경우압전발전의비즈니스모델로일본을꼽을수있다. 일본의경우압전발전을이용한제품으로앞서기술한 발전마루 도입사례가가장많다. 현재상태로는얻을수있는전력이작기때문에발전설비라기보다는에너지절약설비로써의의미가강하다. 또한매우고비용이지만당분간은환경배려형건물이나설비에도입되는경우가많을것으로예상된다. 표 4 압전발전의일본내시장규모추이 ( 단위 : 백만엔 ) 2009 년 2010 년 ( 예측 ) 2011 년 ( 예측 ) 2012 년 ( 예측 ) 2013 년 ( 예측 ) 금액 80 130 870 1,620 4,270 출처 : 야노경제연구소추계 051 압전에너지하베스팅기술동향및전망 이수진 - 내지.indd 51 2013-11-27 오후 2:56:30
그림 42 압전발전시장의활용분야 [7] 비상안내유도등 지능형빌딩관리시스템 배관진동을활용한지능형유량계 지능형근린생활시설관리 철도신호등 고속도로톨 - 게이트 가로등관리 ITS 용도로환경모니터링 BIS 시스템 u-health 분야 압전발전의실용화는앞서응용사례에서소개한리모컨과같이미소전력으로가동가능한소형전자기기에응용되어압전발전의특성을살린제품개발이가능하다. 압전에너지하베스팅은그림 42와같이시설물, 도로교통, USN(Ubiquitous Sensor Network, u-sensor network/ 유비쿼터스센서네트워크 ) 등의다양한분야에서소형센서, 소형전자기기로부터자동차의보조동력원에이르기까지전자, 자동차, 에너지산업등에다양하게활용될것으로기대된다. 052 2013 정보분석보고서 이수진 - 내지.indd 52 2013-11-27 오후 2:56:30
압전에너지하베스팅의시장전망 그림 43 압전발전기의타입별세계시장규모 금액 ( 단위 : 100 만달러 ) 8,000 7,000 6,000 5,000 4,000 3,000 2,000 1,000 40 억 $ 70 억 $ 공진기, 음향디바이스, 가스점화장치, 초음파모터, 디지털카메라자동초점조절을위한액추에이터 트랜스듀서, 센서, 가속도계, 압전트랜스포머, Langevin 액추에이터, 압전프린팅헤드, 디젤연료분사장치등 다층바이모프액추에이터, 압전발전기 군사및일반사용목적의수중음파탐지기 0 2007 2012 출처 : IRAP(Innovative Resreach and Products.Inc). 2008 그림 44 에너지하베스팅분야별시장규모추이및전망 출처 : 2010 ~ 2011 IDTechEX (www.idtechex.com) 053 압전에너지하베스팅기술동향및전망 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 Military&Aerospace 840 840 700 650 600 500 385 230 175 81 40.8 61 60 26 Wristwatches Bicycle Dyameo Mobile phones Consumer Electronics mesh WSN 84 32.75 Industrial Laptop/Ebooks Vehicles (millions $) 90 1.29 Other 2011 2012 이수진 - 내지.indd 53 2013-11-27 오후 2:56:30
그림 45 압전발전과타발전방식과의비교 [7-12] 투자비용비교 생산비용비교 Investment Cost [ 백만원 /kwh] 14 12 10 8 6 4 2 0 풍력태양열태양광지열압전 Operation Cost [cent/kwh] 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 풍력태양수력지열압전 풍력 태양광 지열 수력 화력 압전 설치비용회수기간 ( 년 ) 12~30 20~30 10~20 12~15 15~20 6~12 지속성 청정도 기술성숙도 설치변경용이도 도심지설치가능여부 054 2013 정보분석보고서 그림 43~ 그림45에서보는바와같이압전발전기의세계시장규모및성장기대치나압전발전과타발전과의경제성, 효율성등비교를보면향후압전발전의시장전망은밝을것으로기대된다. 하지만압전발전실용화에는비용삭감과고효율화가필요하고, 열전소자같이발전효율향상을위해이용하는소재에는희귀원소및유해물질인납 (Pb) 이이용된다. 실용화 상용화를위해서는이러한재료를사용하지않는재료개발이필요하다. 압전발전의일반적인비용을구체적으로계산한예는없으며현재상태로서는매우고비용이며실용화를위해서는저비용화, 발전효율향상등이필요하다. 유해물질대체로 PZT에필적하는압전성능을갖는재료는현재발견되지않았기때문에압전재료로써 PZT의규제는아직제외되고있지만비납계압전재료의개발필요성이높아지고있다. 이수진 - 내지.indd 54 2013-11-27 오후 2:56:31
압전에너지하베스터로 펼쳐질미래는? 055 압전에너지하베스팅기술동향및전망 이수진 - 내지.indd 55 2013-11-27 오후 2:56:31
압전에너지하베스터로펼쳐질미래는? 향후기대되는압전에너지하베스터의미래압전에너지하베스팅은유비쿼터스센서등의소형동력원에서부터도로, 철로, 활주로등각종교통수단을통해발생하는미활용에너지의매크로하베스팅및음파, 심장박동, 혈압등각종인체활동의미세한진동을이용한나노하베스팅에이르기까지전자산업에서자동차, 에너지산업, 의료산업, 도시환경산업등에다양하게활용될것으로기대되며그응용가능성은무한한아이디어의창출에의해서실현될수있을것으로생각된다. 056 2013 정보분석보고서 이수진 - 내지.indd 56 2013-11-27 오후 2:56:31
그림 46 USN 용자가발전형에너지하베스터 [7] 어느곳 ( 사물 ) 에나부착된태크와센서로부터 사물, 환경및기상정보를감지, 저장, 가공하여 인터넷, 통신을통하여전달, 인간생활에폭넓게활용 Ubiquitous Sensor Network Fire Control Structural Health Monitoring Home Utility Control energy from the environment Pollution Control state : temperature, pressure, etc. Agricultural Control RFID Hospital 1. 기술적으로 WSN (Wireless Sensor Network) 응용을위해서자가발전형에너지하베스팅기술이절실함 2. 온도, 습도, 진동센서등을이용한재해상황, 환경감시, 의료, 구조물안전진단, 비상전원활용 3. 현재 WSN 의 90% 는에너지하베스팅의실현없이는구현이불가능함 그림 47 체내삽입또는착용형자가발전에너지하베스터 [11] 세계적으로압전발전에대한기초연구는상당히많이이루어져있다. 그러나실제기기로응용되기위해서는각각의상황에맞는구조로변경되어야한다. 예를들어강한힘이가해지고작은움직임이있는환경에서는딱딱한재료를이용한발전이유리하며가해지는힘이작은환경에서는작은힘에서도변형이일어날수있는나노구조, 057 압전에너지하베스팅기술동향및전망 이수진 - 내지.indd 57 2013-11-27 오후 2:56:31
유연발전기가유리할것이다. 즉, 압전하베스터가적용될수있는사용환경에대한분석이우선적으로되어야하며여기에부합되는압전발전기가설계되어야한다. 예를들면진공펌프와같이주기적으로진동하는환경에서는캔틸레버형발전기구조가사람들이걸어다니는도로또는계단에서는보도블럭형태의구조로최적화되어야할것이다. 또한 LED와결합한비상용블록, 운동기구와결합한발전등기존에존재하는기술과융합함으로써새로운응용을개척할수있을것으로판단된다. 이밖에도생체친화적인재료를이용하여소형으로제작할경우사람인체내부에삽입하여심장박동자극기등의보조동력원, 조류의이동경로를파악할수있는센서의동력원등으로도그적용범위를넓힐수있을것으로판단된다. 유연한압전발전기는의류분야와결합하여웨어러블컴퓨터등의보조동력원으로도활용될수있을것이다. 그러나이러한많은응용가능성을현실화하기위해서는학계, 연구계, 그리고산업계가서로의역할을분담하여각기술을전문화해야할것이다. 학계및연구계는고효율압전소재기술, 고효율압전하베스터구조설계및회로설계기술의융합연구를통한효율향상에노력하고, 산업계는실제적용분야에대한탐색및탐색된분야에대한과감한투자전략이필요하다. 058 2013 정보분석보고서 이수진 - 내지.indd 58 2013-11-27 오후 2:56:31
참고문헌 [1] 정대용, 이영진, 백종후, 압전에너지하베스팅의원리및응용, 조명, 전기설비학회지, 6, 14~23, 2010. [2] 정대용, 송현철, 윤석진, Piezoelectric Energy Harvesting, 전기전자재료, 20(12), 45~54, 2007. [3] 정대용, 송현철, 강종윤, 윤석진, 소형에너지발전용압전재료, 전기전자재료, 21(7), 27~34, 2008. [4] 이수재, 유인규, 추혜용, Nanopiezotronics 기술, 한국전자통신연구원, 27(1), 2012. [5] 이성욱, 이관희, 안건태, 허정헌, 권현욱, 이태호, 압전소자를이용한에너지하베스팅시스템, 울산산업기술연구소, 2011 [6] 이수재, 압전나노발전소자의기술개발동향, 압전발전지식연구회, 2012. [7] 최범진, 압전세라믹소자를이용한에너지하베스팅 / 상용화사례, 압전발전지식연구회, 2, 2012. [8] 박석준, 압전기술개요, KISTI 전문연구위원, 2012. [9] 오재근, 에너지하베스팅현황및전망, 2, 2013. [10] 정영훈, 압전에너지하베스팅기술동향, 한국세라믹기술원, 1, 2012. [11] 김미소, 압전에너지하베스팅설계및응용, 한국표준과학연구원, 3, 2013. [12] 임인호, 압전발전동향및응용, 신안산대학, 1, 2013 [13] J. Kymissis, C. Kendall, J. Paradiso, and N. Gershenfeld. Parasitic power harvesting in shoes. In IEEE Intl. Symp. on Wearable Computers, 132 139, October 1998. 059 압전에너지하베스팅기술동향및전망 이수진 - 내지.indd 59 2013-11-27 오후 2:56:31
060 2013 정보분석보고서 [14] N. S. Shenck and J.A. Paradiso. Energy scavenging with shoe-mounted 11. piezoelectrics. IEEE Micro, 21(3):30 42, May 2001. [15] Hyeoungwoo KIM, 임피던스 ADAPTATION METHODS OF THE PIEZOELECTRIC ENERGY HARVESTING, Ph.D. Dissertation, Pennsylvania State Univ. 2006. [16] Shad. Roundy Energy Scavenging for Wireless Sensor Nodes with a Focus on Vibration to Electricity Conversion, Ph. D. Dissertation, U. C. Berkeley 2003. [17] Roundy, S., Wright, P. K., and Rabaey, J., A Study of Low Level Vibrations as a Power Source for Wireless Sensor Nodes, Computer Communications, vol. 26(11), 1131-1144. 2003. [18] Roundy S, Leland E L, Baker J, Carleton E, Reilly E, Lai E, Otis B, Rabaey J M, Wright P K and Sundararajan V Improving Power Output for Vibration-Based Energy Scavengers IEEE Pervasive Computing 428-36. 2005 [19] K. Ren, Y. Liu, X. Geng, H. F. Hoffman and Q. Zhang, Single crystal PMN-PT/epoxy 1-3 composite for energy-harvesting application, IEEE Trans. Ultrason. Ferroelect. Freq. Contr., 53(3), 631-637, 2006. [20] smart-materials: http://www.smart-material.com/ Smart-choice.php?from=News [21] Hyun-Cheol SONG, Hyung-Chan KIM, Chong-Yun KANG, Hyun-Jai KIM, Seok-Jin YOON, and Dae-Yong JEONG, Multilayer Piezoelectric Energy Harvester for Large Current Generation, J. Electroceramics. Submitted. 이수진 - 내지.indd 60 2013-11-27 오후 2:56:31
[22] Y. B. Jeon, R. Sood, J.-H. Jeong, S.-G. Kim, MEMS power generator with transverse mode thin film PZT, Sensor and Actuators A 122, 16-22, 2005. [23] E. Lefeuvre, A. Badel, C. Richard, L. Petit, D. Guyomar, A comparison between several vibration-powered piezoelectric generators for standalone systems, Sensors and Actuators A 126, 405-416, 2006. [24] Robert Myers, Mike Vickers, Hyeoungwoo Kim and Shashank Priya, Small scale windmill, Appl. Phys. Lett. 90, 054106 2007. [25] Steven R. Anton and Henry A. Sodano, A review of power harvesting using piezoelectric materials (2003-2006), Smart Mater. & Struct. 16, R1-R21, 2007. [26]http://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=9782 [27]http://www.adhocelectronics.com/Products/EnOcean [28]http://www.vibes.ecs.soton.ac.uk/index.html [29]http://www.enocean.com/en/home/ [30] H.-B. Fang, J.-Q. Liu, Z.-Y. Xu, L. Dong, L. Wang, D. Chen, B.-C. Cai and Y. Liu, Fabrication and performance of MEMS-based piezoelectric power generator for vibration energy harvesting, Microelectronics Journal 37, 1280 1284, 2006. [31] http://www.electronics-eetimes.com/en/piezoelectricmems-boosts-vibration-harvester.html?cmp_id=7&news_ id=222907093 [32] http://www2.imec.be/be_en/press/imec-news/ imeciedmitire.html 061 압전에너지하베스팅기술동향및전망 이수진 - 내지.indd 61 2013-11-27 오후 2:56:31
[33]http://www.nanoscience.gatech.edu [34] http://phys.org/news/2011-12-award-winning-energyharvester-applications-closer.html [35]http://phys.org/news120216714.html [36]http://www.mascontext.com/tag/powerleap/ [37] http://www.sciencedirect.com/science/article/ pii/s2211285512000651 [38]http://creativemachines.cornell.edu/node/116 [39]http://www.innowattech.co.il/ [40] http://energyblock.co.kr/xe/?mid=movie&page=1&docume nt_srl=2891 [41] http://www.environmentteam.com/2010/02/08/ piezoelectric-remote-control-battery-less-and-usesenergy-of-motion/ [42]http://nesel.skku.edu/ [43] http://www.geology.wisc.edu/~astrobio/docs/hong_et_al_ 2010_J_Phys_Chem_Lett.pdf [44]http://fand.kaist.ac.kr/Attach/NCG.pdf [45]http://www.princeton.edu/~mcm/publications.html [46] http://investorintel.com/graphite-graphene-intel/ designer-piezoelectric-graphene/ [47]http://www.nanowerk.com/news/newsid=23610.php 062 2013 정보분석보고서 이수진 - 내지.indd 62 2013-11-27 오후 2:56:31