KIST(원장 이병권)는 강종윤 전자재료연구단 박사팀이 도로 위를 지나가는 차량의 하중으로부터 전기를 생산하는 고내구성, 고출력의 고분자량 화합물인 폴리머 기반의 압전 발전장치를 개발했다고 11일 밝혔다.

도로 위를 달리는 차량은 상당량의 에너지를 노면의 진동, 변형, 열에너지로 소비한다. 이러한 에너지는 차량 외부에서 소비되며 버려지는 에너지로 취급됐다.

하지만 이를 전기 에너지로 전환시켜 수확하는 에너지 하베스팅(Energy Harvesting) 기술이 신재생 에너지원으로 주목받고 있으며, 전 세계적인 연구도 이뤄지고 있다.

차량으로부터 발생하는 노면의 진동, 변형과 같은 에너지를 전기 에너지로 변환하기 위해서는 압전, 정전, 전자기 발전과 같은 기계적 에너지 하베스팅 방법이 필요하다.

그 중에서도 압전 발전은 높은 에너지변환 효율 특성으로 인해 에너지 하베스팅 분야에서 각광받고 있다. 하지만 소량의 에너지를 생산하는 저전력 응용분야에만 부분적으로 활용되어 왔다.

또한, 높은 전기 생산을 위해서 압전 소재 제작에 주로 사용되었던 '납'이 환경오염과 건강에 해롭기 때문에 압전 발전 응용분야에서 제한적으로 활용됐다.

이에 연구진이 개발한 압전 발전장치는 납을 포함하지 않는 유연 압전 폴리머 소재인 이소불화비닐(PVDF)을 사용해 친환경 소재의 장치를 구현하고, 낮은 전기 생산 능력을 보이던 압전 폴리머 소재의 한계를 극복해 대용량 발전을 가능하게 했다.

연구진은 차량으로 인해 발생하는 도로의 변형을 모델링해서 유연 압전 소재와의 상관관계를 수학적으로 도식화했다. 또 노면의 미소 변위(micro displacement)로도 유연 압전 소재의 높은 변형을 유도할 수 있게 장치를 개발했다.

개발된 압전 발전장치에서 측정된 최대 전력량은 620.2 mW이다. 기존 납 계열 세라믹을 기반으로 한 해외의 도로용 압전 발전장치와 비교할 경우 5.3 배 높은 출력을 나타냈다.

연구진은 중부내륙고속도로 여주 시험도로에 실제 적용해 테스트를 성공적으로 마쳤다. 1000만 번 이상의 충격에도 전기 생산 저하가 발생하지 않는 우수한 내구성이 입증됐다. 

연구진은 이번 기술을 고속도로, 일반 국도 등에 효율적으로 적용되기 위한 솔루션을 제공하고, 한국∙미국에 특허 출원 및 등록해 압전 발전의 상용화를 앞당길 계획이다.  

공동연구를 수행한 김상태 KIST 박사는 "도로용 압전 발전 장치 개발을 통해 압전 하베스팅 기술의 상용화를 앞당길 수 있게 됐다"고 말했다.

연구를 주도한 강종윤 KIST 박사는 "축적된 노하우를 바탕으로 도로 뿐만이 아닌 다양한 환경에서 센서 네트워크의 자가 발전을 위한 핵심적 역할을 수행할 수 있을 것으로 기대한다"고 강조했다. 

이번 연구는 국가과학기술연구회(이사장 원광연) 창의형융합연구사업과 한국에너지기술평가원의 에너지기술개발사업의 일환으로 수행됐다. 연구결과는 에너지 분야 국제 학술지 '어플라이드 에너지(Applied Energy)' 최신호에 게재됐다.