진동에너지

진동에너지(vibration energy)는 진동을 발생하고 있는 물체가 보유하고 있는 에너지를 말한다. 운동 에너지와 변형 에너지의 합으로서 나타내어진다.

우리가 보는 만물은 만져지는 실체이고 작은 입자의 모임이지만 그 입자를 쪼개고 쪼개서 미시세계로 들어가 보면 놀랍게도 입자는 사라지고 진동하는 에너지만 남는다. 이것은 20세기 과학의 새로운 영역인 양자역학이 발전하면서 밝혀졌다. 양자역학에 의해 우리는 모든 만물의 본질이 파동이라는 것을 알게 되었다. 우주 만물은 진동하는 에너지이며 우리가 들을 수 있거나 들을 수 없는 아름다운 파동의 소리를 내고 있다. 이러한 파동의 원리는 '파동의학'이나 '동종요법' 그리고 '음악치료(Music therapy)' 등의 다양한 방면에 활용되고 있다.

진동하고 있는 모든 만물은 각각 고유의 진동수 파동을 지니고 있다. 만물의 고유한 특성은 바로 이 진동의 차이에서 비롯된다. 사람도 제각기 고유한 진동을 가지고 있으며 인체도 진동하는 에너지의 집합인 셈이다. 인체의 장기인 심장이나 간 등도 고유의 파동을 가지고 있고 뇌도 감정 상태에 따라 다양한 파동을 나타낸다.

에너지 하베스팅

그림 1에너지 하베스터의 구조 (위) 자가 튜닝 에너지 하베스터의 특성을 보여주는 그래프 (아래) (한국과학기술연구원 제공)

에너지 수확 기술이라 불리우는 에너지 하베스팅이란 일상에서 버려지거나 새어 나오는 진동, 열과 같은 에너지를 흡수해 전기 에너지로 재활용하는 자가발전 기술을 말한다. 이러한 에너지 하베스팅은 배터리나 전원선 없이 주변 에너지로 자가발전하는 '소자'를 가능하게 해준다. 특히 사물인터넷과 같이 무선으로 동작하는 전기기기에서 배터리 대신 독립 전원으로 유용하게 활용할 수 있다. 열, 압력 외에 자동차·기차·산업현장에서 발생하는 진동 또한 에너지 하베스팅 기술로 전기에너지를 생산할 수 있다. 효율을 높이기 위해서는 작은 진동으로부터 최대한의 전기에너지를 생산해 저장해야 한다. 이를 위해 '공진'(Resonance) 현상을 활용할 수 있다.

공진(Resonance)이란, 물체의 고유진동수와 외부에서 가해지는 진동수가 일치하게 될 때 크게 흔들리는 현상을 말한다. 이 세상이 모든 물체는 고유 진동수를 갖고 진동하고 있는데, 그 진동수에 해당하는 전파나 파동을 흡수하는 성질을 갖고 있다. 일반적으로 진원지에서 멀어질수록 진동이 약해지지만, 공진현상이 일어나면 진원지에서 멀어질수록 진동이 강해지는 것이 특징이다. 고음의 노랫소리에 유리잔이 깨지는 것도 유리잔의 진동수와 노랫소리의 진동수가 일치하며 강력한 힘이 발생하는 공진현상에 의한 것이다.

자동공진 튜닝 에너지 하베스터

우리 주변의 진동들은 모두 다른 성질과 부피에 따라 각각 다른 범위의 진동수를 갖고 있다. 그러나 기존의 에너지 하베스터는 하나의 고유한 진동수를 가지고 있었기에 설치할 때마다 고유 진동수를 환경에 맞게 튜닝하여 공진을 유도해야 한다는 불편함이 있었다. 이를 해결하기 위해 국내 연구진들은 진동수를 맞추기 위한 전기장치 없이도 주변 진동수에 스스로 튜닝될 수 있는 특별한 구조로 되어 있는 '자동 공진 튜닝 에너지 하베스터'를 개발했다.

'자가 공진 튜닝 에너지 하베스터' 내부에는 자율적으로 움직이는 추를 부착되어 있는데, 추가 주변의 진동을 감지하면 스스로 다른 위치로 이동하여 에너지 하베스터로 하여금 외부환경의 진동과 같은 진동수를 맞추는 것이다. 이러한 자가 공진 튜닝 에너지 하베스터는 다양한 진동과 공진할 수 있게 되면서, 기존의 하나의 고유진동수를 가지는 소자보다 공진할 수 있는 주파수 대역을 1400%이상 향상시키는 결과를 얻었다.

진동에너지 하베스터

적용 대상

진동에너지 하베스터는 무선센서네트워크(WSN)를 이용하여 산업플랜트, 자동차를 비롯한 수송기계, 건물 자동화, 교량, 도로, 환경 등의 상태 진단에 활용하기 위해 주로 개발되고 있다. 또한 환자의 건강 모니터링, 휴대용 전원 등 몸에 착용/삽입 가능한 Wearable 전자 장비에 적용하기 위해서도 개발되고 있다. 각종 산업 구조물에 사용되는 무선센서들의 소비전력을 살펴보면 압력센서, 온도센서, 습도센서, 광센서 등은 주로 1mW 이하에서도 구동가능하며, 응력센서나 진동센서는 수십mW의 동력을 필요로 한다. 최근에 각종 산업구조물의 구조건전성 모니터링(structural health monitoring)을 위한 무선센서 장비의 전력원으로 사용하기 위한 시제품들이 지속적으로 출시되고 있어, 정보화 사회로 가는데 있어서 큰 산업적 변혁을 불러올 수 있는 기술로 평가받고 있다.

진동에너지 하베스터는 일정 주파수로 운전하는 산업기계의 진동을 이용하기 때문에 공진형으로 개발되는 경우가 많다. 보통 산업기계들에서 발생하는 진동은 20~200Hz 성분을 기본 주파수로 하는 경우가 많으며, 진동진폭은 수 μm에서 수백 μm, 가속도로는 0.1G~10G 정도로 분포한다. 산업기계 가운데에서도 보통 20~100Hz 범위에서는 전자기형이 적합하며 대략 수십mW 급까지 개발이 가능하다. 반면에 100Hz 이상의 고주파수 진동환경에서는 압전형이 적합하며, 대략 수mW급까지 개발이 가능하다. 인체에서 발생하는 진동은 2~3Hz대의 저주파수이며, 0.2~0.5G 수준의 가속도를 갖지만 진폭이 커서 대략 수백 mW급까지의 에너지 수확이 가능하다. 교량에서 발생하는 진동은 진폭은 크지만 가속도 크기는 0.1G 이하인 경우가 많아 수mW 급의 에너지 수확이 가능하다.

상용품

미국과 유럽의 여러 회사에서 진동 에너지 하베스터 상용품들을 출시하고 있다. 아직까지 대부분의 상용품들은 특정 주파수에서만 작동하며 광대역에서 작동하지 않기 때문에 사용 환경에 강하게 종속되는 특성을 가진다. 여기서는 압전형과 전자기형에 대해 한 개씩만 선정하여 소개하기로 한다.

압전형 하베스터의 대표적 상용품으로 MIDE사의 PEH 25w 제품을 들 수 있다. MIDE사는 1989년 MIT 연구원인 Dr. Marthinus van Schoor가 창업한 회사로 압전물질을 비롯한 지능형소재(smart material)를 이용한제품들을 개발하고 있으며 현재 세계 최고 수준의 압전형 상용 하베스터를 개발 및 생산하고 있다. 이 제품의 부피는 40.5 cm³이며 100Hz로 튜닝할 경우 2mW 정도의 최대 출력이 발생하며, 50Hz로 튜닝할 경우 파워 밀도는 1g에 178μW/cm³ 정도임을 볼 수 있다. 전자기형 하베스터의 대표적 상용품으로는 Perpetuum사의 PMG FSH 제품을 들 수 있다. Perpetuum사는 2004년 영국 Southhampton 대학에서 Spin-off한 회사로서, 각종 공장자동화 무선 센서들과 연계한 세계 최고수준의 에너지 하베스터를 개발 및 생산하고 있다. 이 제품의 부피는 230cm³이며 60Hz로 튜닝할 경우 20mW 정도의 최대 출력이 발생하며, 60Hz에서 파워 밀도는 0.5g에 87μW/cm³ 정도임을 확인할 수 있다.

작동 원리

그림 2 압전형 진동 에너지 하베스터의 기계-전기 연성방정식.

그림 3전자기형 진동 에너지 하베스터의 기계-전기 연성방

진동에너지 하베스터는 기계적 진동에너지를 전기에너지로 변환시킴에 있어서 그 변환효율이 최대가 되도록 기계적 임피던스와 전기적 임피던스를 상호 매칭시키는 역할을 한다. 그림 2은 조화 가진을 받는 압전형 진동 에너지 하베스터와 전자기형 진동 에너지 하베스터의 기계-전기 연성방정식을 나타낸다. 압전형의 경우 압전 연성계수(piezoelectric coupling factor) α에 의해 상호 연성되어 에너지변환이 일어남을 보여주고 있는데, 연성계수는 주로 압전재료와 부착된 패치의 형상 및 배선에 의해 결정된다. 마찬가지로 전자기형의 경우 전자기 연성계수(electormagnetic coupling factor) κ에 의해 상호 연성되어 에너지변환이 일어남을 보여주고 있는데, 연성계수는 주로 전자석과 영구자석에 의해 형성된 자기장에 의해 결정된다. 따라서 진동 에너지 하베스터를 설계하기 위해서는 이들 에너지 전달 재료 특성을 파악하여 기계적 진동방정식과 전기적 회로방정식을 연성하여 계산함으로써 그 성능을 파악하게 된다.

진동 에너지 하베스터의 성능을 예측하는 가장 간단한 모델은 1995년 Williams에 의해 제시된 선형 댐퍼모델이다. 즉 에너지 하베스터를 1자유도계로 모델링하고 댐핑값 가운데 기계적 댐핑 외에 에너지변환에 따른 전기적 댐핑값을 고려함으로써 그 연성 특성을 고려하는 모델이다. 이 모델에 따르면 전기 출력은 다음 식과 같이 표현된다.

따라서 진동 에너지 하베스터는 공진점에서 기계적 댐핑값과 전기적 댐핑값이 같을 때(임피던스 매칭) 최대의 출력값을 얻을 수 있으며, 이 때 최대 전기 출력 방정식은 다음과 같다.

이 식으로부터 에너지 하베스터는 주어진 크기 제한치 내에서 최대한 기계적 Q factor가 높도록(즉, 감쇠가 작도록) 설계하는 것이 유리하며, 동일 가속도조건에서라면 기본공진주파수가 낮은 데서 운용하는 것이 유리함을 알 수 있다.

참고자료

• 진동 에너지 하베스터의 원리 및 응용 - https://www.koreascience.or.kr/article/JAKO201512053948914.pdf
• 〈진동 에너지〉, 《토목용어사전》
• 이제염오, 〈우주 만물은 진동하는 에너지〉, 《네이버 블로그》, 2021-06-10
• 김승준 기자, 〈알아서 효율 높이는 똑똑한 '진동 에너지 수확' 기술 개발〉, 《뉴스1》, 2020-09-01
• 한국전기안전공사, 〈생활 속에서 일어나는 진동으로 전기를 생산한다.〉, 《네이버 블로그》, 2020-11-12

같이 보기

• 운동에너지
• 변형에너지
• 공진

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