Update2024.12.30 (월)
압전 에너지 하베스팅 기술
■ 기술의 개요
최근 주위의 버려지는 힘, 압력, 진동 같은 에너지를 우리가 사용가능한 전기에너지로 변환해 주는 에너지 하베스팅(Energy harvesting) 기술이 신재생 에너지로서 각광을 받고 있음. 또한 에너지 하베스팅 방식 중 압전체를 활용한 압전 발전은 에너지 변환 효율이 크고 소형․경량화가 가능하며 다양한 영역에의 응용이 가능하다는 장점 때문에 각광을 받고 있다.
압전 효과(Piezoelectric Effect)란 압전체를 매개로 기계적 에너지와 전기적 에너지가 상호 변환하는 작용임. 다시 말해 압력이나 진동(기계에너지)을 가하면 전기가 발생하거나 전기를 흘려주면 진동이 생기는 효과다.
이러한 압전 효과를 통한 압전 발전은 △외부의 기계적 에너지를 압전 재료에 전달하는 단계 △전달된 기계적 에너지를 압전 재료를 이용하여 전기에너지로 변환하는 단계 △변환된 에너지를 전기적인 회로를 통하여 Super-capacitor나 2차 전지에 축전하는 단계로 구성된다.
압전을 이용한 에너지 하베스팅의 경우 소자의 사이즈에 따라서 크게 Macro scale의 압전 에너지 발전과, Micro scale의 압전 에너지 발전으로 나누어 볼 수 있다.
- Macro scale 압전 발전 : 사람의 움직임이나 자동차의 진동 등과 같이 큰 움직임이나 진동으로부터 에너지를 발전하고 충전을 통해 보조 전원이나 대용량 발전에 적용
- Micro scale 압전 발전 : MEMS 공정으로 제작하여, 소량의 진동이나 충격으로부터
발전하며, 센서나 소형전자기기의 전원이나 보조 전원으로 사용
전자부품연구원에서 개발한 압전 소자는 사람의 보행을 이용하는 구조로 부터 소형 디바이스 또는 센서의 전력 공급원으로 이용이 가능한 구조에 이르기까지 다양한 압전 발전에 적용 가능한 구조로 관련 특허를 다수 보유하고 있다.
■ 기술의 현황
센서, 모바일폰 및 자동차 TPMS(Tire Pressure Monitoring System : 타이어 공기압 경보장치) 실장용 시작품으로 test중이며 과제 종료 후 사업화 가능
세계적으로 선진 일부 국가에서 실장 test 단계임
기술의 구현수준- test 단계
■ 기술의 장점 (경쟁기술과의 차별성)
기존 압전 발전 기술에서 사용하던 진동 모드 이외에 다른 진동 모드를 추가적으로 연구하여 압전 발전 모듈을 제작하였으므로 기존 대비 발전량 높음
응용처에 따라 다양한 모드로 설계가 가능하므로 실장 디바이스의 크기를 확대해야 하는 문제가 발생하지 않음
■ 활용범위 및 응용분야
진동이 존재하며 접근이 용이하지 않은 곳에 위치한 센서의 구동 전력원으로 사용 가능
모바일폰의 밧데리가 방전되었을 경우 긴급한 통화 또는 문자 전송을 위한 응급 전력원으로 사용 가능
자동차에서 발생하는 진동 에너지를 이용하여 타이어 압력 조절 장치인 TPMS의 전력원으로 사용 가능
바람 및 차량의 주행에 의한 교량 진동으로 발생하는 진동에너지를 전기에너지로 변환, 저장하여 야간 조명 장치의 전력원으로 사용 가능
미소 전력을 필요로 하는 센서로부터 자동차, 교량의 비상 전력으로 까지 적용 가능 (단, 대전력의 경우 저장 회로가 필요함)
■ 시장동향 및 전망
압전소자 관련 산업은 과거 대비 일본의 수입의존도가 30~40% 수준으로 낮아지고 있으나 이는 주문 조립 가공 부문의 자체 생산이 늘어난 부분에 기인한 것이며, 원천적 기술력 및 기술 개발 인력의 수급에는 한계점이 존재한다.
압전 발전의 경우 매년 51.5%의 가장 높은 성장률을 기록할 것으로 전망된다.
■ 지식재산권 면황 및 기술이전 내용
