4소음∙진동

제26권 제1호, 2016년

특집

: 진동

에너지

하베스팅 1. 머리말

현재 화석연료의 고갈로 인한 에너지 불균등화

문제 그리고 화석연료를 사용으로 발생하는 환

경문제는 자연에너지를 전기에너지로 변환하는

산업발전 구조에서 이를 체할 새로운 에너지

발전이 필요한 시기이다. 에너지 하베스팅은 이

러한 문제를 해결하기 위한 하나의 기술로 각광

받고 있다. 에너지 하베스팅은 태양광, 풍력, 열등의 자연에너지를 전기에너지로 변환하는 기술

이며 버려지는 에너지를 다시 수확 및 전기에너

지로변환하여사용하는기술을말한다.에너지 하베스팅 개념은 1954년 미국의 벨 연

구소에서 태양전지 기술과 함께 시작되었다. 기술이 발달하기 전의 에너지 하베스팅 기술은 소

자의 크기 문제로 낮은 민감도와 제한적인 응용

분야의 단점을 가지고 있었다. 하지만 최근 무선

통신기술과 더불어 반도체 기술이 발달하면서

소형화 및 저전력화된 전자기기를 위해 하베스

팅 기술에 한 관심이 집중되고 있다. 첨단 유비

쿼터스 시 에 들어서면서 휴 용 기기는 소형

화되고 고성능을 향해 달려가는 반면 이를 위한

에너지 공급문제는 많은 연구를 필요로 한다. 에너지 하베스팅은 이러한 소형 전자기기에 가장

매력적인 기술로 압전, 열전, 마찰전기 등의 기술

이 연구되고 있다. 특히 압전 에너지 하베스팅은

다른 기술에 비해 높은 전력 도와 넓은 응용분

야라는 장점을 가지고 있다. 따라서 이 에서는

압전하베스팅기술에 해소개하고자한다.

2. 진동에너지하베스팅용압전재료

압전 에너지 하베스팅(piezoelectric energyharvesting, PEH)은 일상에서 사용되고 버려지는

진동, 압력 등의 에너지를 다시 전기에너지로 변

환하는 친환경 기술로 현재 차세 에너지원으

로 주목받고 있는 기술이다. 압전 에너지 하베스

팅은 압전효과를 가지는 소자를 이용하여 기계

적 에너지 및 변화를 통해 전위차를 만들고 이로

인해 쌍극자와 보상 전하가 형성되어 전자의 이

동 즉, 전류의 흐름을 발생시키는 현상을 기본으

로 한다. 압전효과는 부도체인 재료에 외부로 부

터 기계적 변형(수축 또는 인장) 등을 가하여 재

료에 변형이 발생하면 재료 내부에 전기적 성질

을 갖는 이온의 상 적 위치 변화 및 배열화로 인

해 재료의 분극의 크기가 변화하게 된다. 이때,재료의 분극화로 전극과 압전재료 물질 계면에

서 전하의 도가 순간적으로 변화하여 전자의

이동이 발생하며 결과적으로 전류가 생성되어

외부로 전기에너지가 흐르는 현상이다. 또한 중

심 칭을 가지지 않는 압전 재료는 역으로 전기

장을 가했을 때 분극의 변화뿐만 아니라 재료의

*** E-mail : joohyung.kim@inha.ac.kr

압전 진동 에너지 하베스팅

손정우*, 김기우**, 이 준**, 홍광욱**, 김주형**

(*금오공과 학교 기계설계공학과, **,*** 인하 학교 기계공학과)

특집특집

진동에너지하베스팅

5소음∙진동

January 2016

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: 진동

에너지

하베스팅

변형을 동시에 일으키는 특징을 가지게 된다. 즉,재료의 전기적인 특성과 기계적인 특성을 서로

공유하는 특성을 가지고 있어 다양한 분야에서

응용되고있다. 진동 에너지 하베스팅 시스템을 설계를 할 경

우적절한압전재료의선택은매우중요하다.압전 에너지 하베스팅 재료의 요구특성인 기

계-전기결합계수(k)의 경우 0.5에서 0.9로 향상될

경우 압전 에너지 변환 효율이 25 %에서 81 %로

높이지게 된다. 또한 압전 에너지 하베스팅의 특

성에 따라 시스템의 설계가 철도, 공도, 인도 그

리고 교량 등 고 하중 및 여러 외적 변수가 많은

환경이 될 수가 있기 때문에 설계 조건에서 발생

하는 충격 및 진동에 강해야한다. 이는 재료의 강

성과유연성이보장되어질때가능하다(1). 이러한 조건들을 만족하고 요구특성이 검증된

표적인 압전 재료는 Quartz, BTO, PZT, PMN-PT 등이 사용되고 있으며 기계-전기결합계수,유연성, 친환경성 등을 고려하여 순차적으로 발

전해왔다. 현재는 그림 1과 같이 다양한 고분자

(c) PMN-PT 압전 에너지 하베스팅소자(4)

그림 1 진동 에너지 하베스팅용 고분자 압전 재료 및 복합소재

(a) MIM 구조를 가지는 BTO에너지 하베스팅 소자(2) (b) ILLO공법을 이용한 PZT 소자(3)

6소음∙진동

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에너지

하베스팅

압전 재료 및 복합 소재의 연구가 활발히 진행

중이다.표적인 압전 재료인 세라믹 PZT는 압전 성

능도 우수하고, 낮은 가격에 제작할 수 있으며,원하는 크기와 형태로 제작이 가능하여 다양하

게 활용되고 있지만 유연 구조물 제어 및 진동

에너지 하베스팅등에 적용할 경우 취성이 커서

작동 중 깨지거나 부러지는 경우가 발생할 수 있

으며, 곡면 형상의 구조물에는 적용이 제한되는

단점이 있다. 이에 유연성을 가지면서도 우수한

성능을 가지는 압전 재료에 한 연구가 진행되

었고, 압전 세라믹 파이버를 기반으로 한 복합재

형태의 압전 재료가 개발되었다. 1990년 중반

미국 MIT에서 원형 단면 형상을 갖는 압전 세라

믹 파 이 버 를 기 반 으 로 한 active fibercomposite(AFC)을 개발하 다. 또한 2000년 초

반 미국 NASA Langley 연구소에서 사각형 단면

형상의 압전 세라믹 파이버를 기반으로 한

macro fiber composite(MFC)를 개발하 으며, 미국 Smart Material사에서 상용화하여 현재 다양

한 분야에 활용되고 있다. AFC에 사용된 원형

단면 압전 세라믹 파이버 제작비용이 고가인 반

면, MFC에 사용된 사각 단면 압전 세라믹 파이

버는 기존과 동일한 압전 세라믹을 잘라서 제작

할 수 있어 상용화가 가능하게 되었다. MFC의

경우 유연성이 크게 확 되었을 뿐만 아니라, 세라믹 파이버의 길이 방향으로 폴링(poling)을 하

고, 맞물림 전극(inter-digitated electrode, IDE)을적용하여 면내 방향에서 d33 압전 효과를 갖도

록 하여, 향상된 작동 성능을 가질 수 있도록 하

다. d33 압전 효과는 일반적인 패치 형태의 압

전 세라믹에서 사용하는 d31보다 2배 정도 큰 값

을 가진다. MFC로 표되는 압전 복합재를 이

용한 진동 에너지 하베스팅 시스템에 한 연구

는 현재도 다양하게 진행되고 있으며 MFC가 맞

물림 전극을 적용함에 따른 임피던스 증가의

향으로 기존 세라믹 기반 압전 재료에 비해 에너

지 발생량이 작다는 연구 결과도 보고되었다. 그러나, MFC는 매우 큰 유연성을 가지고 있어 다

양한 형태의 구조물에 적용될 수 있고, 우수한

내구성과 외부 환경에 해 패키징 되어 있는 특

성을 바탕으로 수중 환경 등 특수한 환경에도 적

용될 수 있는 장점이 있으므로, MFC를 이용한

진동 에너지 하베스팅 시스템에 한 다양한 분

야에서의 활용이 기 된다.

3. 압전에너지하베스팅기술의응용분야

3.1 항공및수중운반체

Arm 등은 Bell 헬리콥터 M412 모델의 피치 링

크의 동적 부하를 추적하기 위한 무선 센서 시스

템을 제안하고, MFC를 이용한 에너지 하베스팅

시스템을 동력원으로 제안하 다(5). 400 lb의 부

하가 초당 5 cycle로 인가될 경우, 최 390 μW의

에너지를 발생시켜 무선 센서 시스템의 동력원

으로 사용될 수 있음을 확인하 다. Eturk과Delporte는 수중 추진과 에너지 하베스팅이 가능

한“piezohydroelasticity”개념의 구조물을 제작하

고 추진 성능과 에너지 하베스팅 성능을 실험을

통하여 검증하 다(6). 그림 3과 같이 MFC를 이용

그림 2 MFC 사진 및 구조도

7소음∙진동

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에너지

하베스팅

하여 에너지 하베스팅 장치를 구성하 고, 에너

지 하베스팅 성능은 공기중과 수중에서 각각 실

험을 수행하 으며, 발생된 에너지를 이용하여

추진할 수 있는 수중 로봇 개념에 한 가능성을

검토하 다. 56 Hz의 0.5 g 가속도를 갖는 진동에

해서 약 20시간의 충전을 통해 2.5mAh의 전력

을충전할수있을것으로예측되었다.최근 Shan 등은 수중 소용돌이가 있는 환경을

이용한 MFC 기반의 에너지 하베스팅 장치의 성

능 결과를 보고하 다(7). 소용돌이 환경에서의

압전 재료에 의한 에너지 하베스팅 장치에 한

수학적 모델을 구축하고 에너지 발생 성능을 예

측하 으며, 유속 등에 따른 에너지 하베스팅 장

치의 성능에 한 이론적 해석 결과와 실험 결과

를 비교하여 잘 일치함을 확인하 다. 수중 에너

지 하베스팅 실험 장치를 그림 4에 나타내었다.출력 도 1.1 mW/m2, 속도 0.5 m/s의 물의 속도

에서 지름 30 mm의 실린더로 소용돌이를 발생

시킬 경우 최 1.32 μW의 에너지를 발생시킬 수

있는것을확인하 다.

3.2 자동차

최근 자동차 타이어에 각종 센서를 내장하여

타이어 변형과 같은 유용한 제어 정보를 직접 실

시간으로 측정하는 지능형(smart/intelligent) 타이

어를 개발하기 위한 연구가 활발하게 진행되고

있다. 이러한 기술이 차량에 적용되면 타이어에

작용하는 수직력(normal force)을 샤시통합제어

시스템에 적용하여 차량 운전성 및 안정성을 획

기적으로 개선할 수 있다. 또한 횡슬립각(sideslipor slip angle), 노면 마찰계수 및 마찰력 정보의 실

시간 측정이 가능해져 보다 우수한 제어 성능을

기 할 수 있으며 타이어에 작용하는 수직력 이

외에도 타이어 내부 압력, 온도, 마모 상태 등 다

양한 타이어 정보에 한 실시간 측정도 가능해

지면 차량의 안전에 크게 향을 미치는 타이어

의 상태를 사전에 모니터링 하여 안전성을 확보

할 수 있다. 이때, 전원 공급이 필요 없는 무전지

형(passive type) SAW 센서를 제외하고 압력 센서

와 같은 Active 센서를 사용하는 부분의 타이

어 센서와 무선 송수신 장치는 안정적인 전원 공

급이 반드시 필요하다. 이러한 지능형 타이어 센

서에 전원을 공급하는 수단은 타이어 내부에 센

그림 3 꼬리 지느러미를 부착한 수중 에너지 하베스팅 장치(6)

그림 4 수중 수용돌이에 의한 진동 에너지 발생 실험 장치(7)

그림 5 스마트 타이어 센서용 압전 에너지 하베스팅(8)

8소음∙진동

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에너지

하베스팅

서를 장착하고 자동차가 주행시회전하는 구동

축을 통해 센서 정보를 수신하기 어려운 작동 환

경 때문에 현재 부분 2차 전지(battery)를 사용

하고 있는 실정이며 이러한 단점을 해결하기 위

한 방안으로 전력 소모가 아주 작은 저전력

MEMS 부품을 사용하거나 샘플링 주기를 길게

그림 7 비틀림 진동의 외팔보 형 압전 에너지 하베스팅(10)

그림 6 타이어 센서용 외팔보 빔형 압전 에너지 하베스팅(9)

9소음∙진동

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하베스팅

하는 방법 등 전력 소비를 최소화 하는 다양한 기

술 개발이 시도 되고 있지만 근본적으로 배터리

수명을 획기적으로 늘리기 어렵기 때문에 최근

압전 재료를 이용한 에너지 하베스팅기술이 각

광받기 시작했다. 작동 원리는 그림 5에 나타낸

바와 같이 타이어가 회전하면서 주기적으로 편

평한 도로면과 접촉하는 contact patch 면이 발생

되어 응력 변화가 발생되는 현상에 의해 작동된

다. 타이어 내부 라이너 등에 압전 패치 등을 접

착하여 타이어 변형률 변화에 의해 발생되는 주

기적인 출력을 정류 회로(rectifying circuit)를 이

용하여 직류로 변환하여 전원으로 사용하는 방

식이다. 압전 재료의 내구성을 감안하여 그림 6과 같이 외팔보(cantilever beam) 표면에 부착한

후 자석을 이용한 방식과 마찬가지로 반복적으

로 발생되는 가속력에 의해 가진되어 발생되는

진동의 기계 에너지를 전기 에너지로 변환하는

방식으로도 많은 연구가 진행되고 있다. 향 후 타

이어에 각종 센서를 내장하여 유용한 제어 정보

를 직접 실시간으로 측정하는 지능형 타이어의

적용이 지속적으로 확 될 것으로 예상되며

중화를 위한 가장 큰 기술적 이슈는 배터리에 의

존하지 않는 자체 에너지 하베스팅에 의한 전원

공급일것으로판단된다. 타이어외에도자동차는내연기관의구조적특

성으로 인해 엔진 토크의 비틀림 진동(ignition-induced torsional torque vibration)이 발생한다. 일반적으로 이러한 기계적 진동이 변속기에 유입

되면 승차감에 향을 주고 부품 내구성을 저하

시키므로 스프링형 진동 절연기 (vibrationisolator)를 사용하는데 그림 7과 같이 회전하는

구동계 부품의 외곽에 상용 제품인 압전 에너지

하베스터(Volture V22B, Mide Technology Co.,0.025 (L) × 0.006 (W) × 0.00078 (t))를 장착하여

30 Nm의 토크 진동시 약 14 μW를 수확할 수 있

다. 이러한 응용 사례에서 알 수 있듯이 압전 재

료의 내구성능이 점차 개선되면서 압전 재료가

다양한 진동 에너지 하베스팅 분야로 점차 확

응용되고있다.

3.3 기타응용분야

압전 에너지 하베스팅 기술은 에너지 규모, 물질 적용 분야 등에 따라서 다양하게 분류할 수 있

다. 에너지 규모로는 사람의 움직임이나 자동차

의 진동 등과 같이 큰 움직임이나 진동으로부터

에너지를 발전하는 것과 MEMS 공정으로 제작

하여 소량의 진동이나 충격으로부터 발전하며

센서나 소형전자기기의 전원이나 보조 전원으

로 사용되는 것으로 구분할 수 있다. 이러한 압전

에너지 하베스팅 기술은 국내외 여러 회사 및 연

구 단체에서 관심을 가지고 많은 연구 성과와 제

품들을 출시하고 있다. 또한 단순히 압전 물질을

이용하여 에너지를 생성하는 것에 그치지 않고

압전 에너지를 RF 통신 등을 이용하여 무선으로

전송하는 기술도 연구되고 있다. 매크로 규모의

응용 예로는 2006년 일본의 후지사에 설립된

학벤처기업인 음력발전에서 사람이나 자동차,자전거 등이 지나갈 때 나오는 진동에너지를 전

기 에너지로 바꾸는 발전 마루를 개발하 다. 개발된 발전마루는 가로 50 cm, 세로 50 cm에서 하

루 최 200 kW 전력 생산할 수 있었고 이후

2010년에 신 에노시마 수족관에 실제로 도입되

었다. 이스라엘에서는 도로, 철도, 공항 활주로에

압전 에너지 하베스팅을 적용하여 도로를 통과

할 때 발생하는 에너지로 신호등, 철도차단기, 가로 등에 전력을 공급하는 연구를 하고 있으며

1km 도로에서 시간당 최 200 kWh를 발전할 수

있다. 미국은 군사용으로 군화에 압전발전기를

설치하여 걸을 때 발생하는 진동에너지로 무전

기 배터리를 충전하는 기술 개발하 다. 국의

Pavegen은 브라질 리우데자네이루의 빈민가에

축구장을 건설, 축구장에서 뛰어노는 에너지로 6개의 LED 등에 불이 들어오게 하 다. 미국의 파

워리프(POWERleap)사는 사람들이 밝으면 압전

체가 응력을 받아 전기가 생성되는 바닥판을 제

작 하 다. 또한 국내에서는 부산 서면역에 압전

보도블록이설치되어있다.필립스에서는 2001년 국제전자제품 박람회에

서 스위치를 누르는 운동에너지를 전력으로 바

10소음∙진동

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에너지

하베스팅

꿔 건전지가 필요 없는 TV 리모콘을 선보 다.캐나다의 바오이닉파워는 사람 다리에서 에너지

를 생산하는 파워워크엠(PowerWalk M) 기기를

개발, 군사용으로 무릎을 구부릴 때 압전소자에

서 전류 생성하 다. 마이크로 규모의 에너지 하

베스팅의 표적인 사례는 압전 나노선을 활용

한 것을 확인 할 수 있다. 2006년 조지아 공 연

구진이 산화아연 나노선을 이용한 나노발전기를

선보이고 이후 2008년 산화아연 나노선들을 수

직으로 심은 섬유의 두 가닥을 꼬아서 움직일 때

마다 전기가 발생하는 섬유를 개발하고‘파워 셔

츠’를 만들어서 네이처에 발표하 다. 1 cm 길이

의 섬유 2가닥에서 4 mV의 전기가 생성됨을 보

다. 그리고 KAIST의 이건재 교수 연구팀은 인

체 적용형 나노발전기를 연구 중에 있다. 나노/마이크로 기술분야가 의료분야에서 각광을 받으면

서 압전 에너지 하베스팅은 인체 삽입형 디바이

스부분에서 주목받는 기술이다. 인체 내에서 감

지, 치료 등 다양한 활동을 하는 나노 센서 및 디

바이스들이 의료용으로 개발되면서 배터리 문제

가 화두로 떠오르고 있는데 여기에 압전 에너지

하베스팅을 결합한다면 에너지 문제가 해결되어

반 구적으로사용가능할것으로기 된다.

4. 압전진동에너지하베스팅기술의전망

첨단 유비쿼터스 시 에 들어서고 사물인터넷

까지 각광 받기 시작하면서 압전 에너지 하베스

팅은 필수적인 기술로 주목받고 있다. 2009년MIT 테크놀로지 리뷰에서는 미래 10 유망 기

술로 나노선을 활용한 전력 발생 소자기술을 선

정하 고 다음 해인 2010년에는 Popular science에서 에너지 하베스팅을 세계를 뒤흔들 45가지

혁신기술에 포함하 다. 국내에서는 2015년 상

반기에 한국과학기술기획평가원(KISTEP)에서

나노 소재 활용 에너지 하베스팅 기술을 미래 우

리 사회의 불평등 해소에 기여할 수 있는 10 유

망 기술 중 하나로 선정(11)하 고 그 외에도 표준

화 작업 등 국내외적으로 관심이 뜨겁다. 이러한

에너지 하베스팅은 전 세계 시장규모가 2020년에 43억 7000만 달러까지 성장할 것으로 기 하

고 있다( 국, IDTechEx 조사). 특히 에너지 하베

스팅 중 압전 에너지 하베스팅은 매년 성장률이

50 % 이상의 가장 높은 성장률을 기록할 것으로

전망되고있다.

5. 맺음말

현재 압전 에너지 하베스팅은 많은 기 를 받

으며 연구가 되고 있지만 아직까지도 많은 발전

을 필요로 한다. 압전 에너지 하베스팅의 경우 지

속적인 움직임이 없다면 전기를 만들어 내기가

어렵다. 즉, 일정한 전기에너지 생산을 보장할 수

없다는 단점이 있다. 또한 압전소자는 아직까지

그림 8 BionicPowerTM의 PowerWalkTM

11소음∙진동

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에너지

하베스팅

수집하는 주파수 역이 좁기 때문에 하베스팅

소자의 에너지 효율이 낮다. 하지만 이를 해결하

기 위한 많은 연구진들의 노력으로 현재 다양한

연구결과가 보고되고 있으며 전 세계적으로 지

속적인 노력이 있기에 압전 에너지 하베스팅은

향후 일상생활에 필수적인 기술이 될 것으로 생

각된다.

참고문헌

(1) 김재환 외, 2013, 기획특집: 에너지 하베스

팅; 압전 에너지 하베스팅 기술개발 동향,공업화학전망, Vol. 16, No. 4, pp. 27~34.

(2) Park, K.-I. et al., 2010, Piezoelectric BaTiO3Thin Film Nanogenerator on Plastic Substrates,Nano Letters, Vol. 10, No. 12, pp. 4939~4943.

(3) Park, K.-I. et al., 2014, Highly-efficient,Flexible Piezoelectric PZT Thin FilmNanogenerator on Plastic Substrates, AdvancedMaterials, Vol. 26, No. 16, pp. 2514~2520.

(4) Hwang, G.-T. et al., 2014, Self-poweredCardiac Pacemaker Enabled by Flexible SingleCrystalline PMN-PT Piezoelectric EnergyHarvester, Advanced Materials, Vol, 26 No. 28,pp. 4880~4887.

(5) Arms, S. W. et al., 2007, Tracking Pitch LinkDynamics Loads with Energy Harvesting

Wireless Sensors, Proceeding of AmericanHelicopter Society 63rd Annual Forum in 2007.

(6) Erturk, A. et al., 2011, Underwater Thrust andPower Generation Using Flexible PiezoelectricComposites: an Experimental Investigationtoward Self-powered Swimmer-sensorPlatforms, Smart Materials and Structures, Vol.20, No. 12, pp. 125013.

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(8) Kubba, A. E. et al., 2014, A ComprehensiveStudy on Technologies of Tyre MonitoringSystems and Possible Energy Solutions,Sensors, Vol. 14, No. 6, pp. 10306~10345.

(9) Singh, K. B. et al., 2012, Piezoelectric VibrationEnergy Harvesting System with an Adaptivefrequency Tuning Mechanism for intelligentTires, Mechatronics, Vol. 22, pp. 970~988.

(10) Kim, G.-W., 2015, Piezoelectric EnergyHarvesting from Torsional Vibration inInternal Combustion Engines, InternationalJournal of Automotive Technology, Vol. 16,No. 4, pp. 645~661.

(11) 최창택 외, 2015, 2015년 KISTEP 10 미래

유망기술선정에관한연구, KISTEP.