[과학을읽다]송전선 주변 자기장으로 드론 충전…고효율 에너지하베스팅 기술 개발

원형 자기장 수집해 전력 생산…초소형 드론·IoT 센서 자가전원 기술로 확장 기대

송전선 주변에서 발생하는 미약한 자기장을 전력으로 바꾸는 기술이 국내 연구진에 의해 구현됐다. 전력 공급이 어려운 초소형 드론이나 야외 IoT 센서 등에 적용할 수 있는 차세대 자가전원 기술로 주목받는다.

한국생산기술연구원(생기원)은 송전선 주변의 원형 자기장을 효율적으로 수집해 전기로 변환하는 에너지하베스팅 기술을 개발했다고 9일 밝혔다. 생기원 에너지나노그룹 윤승하 수석연구원 연구팀은 기존 방식보다 전력 생산량을 크게 높일 수 있는 새로운 구조를 구현하는 데 성공했다.

연구팀 사진. 좌측부터 박재우 연구원, 윤승하 수석연구원, 양연희 연구원. 생기원 제공

대칭 진동 구조로 기존 대비 2배 전력 확보

에너지하베스팅은 주변 환경의 물리적 에너지를 전력으로 전환하는 기술로, 이번 연구는 송전선에서 생성되는 교류(AC) 자기장의 변화를 활용한다. 자기장이 바뀔 때 자석에 작용하는 힘이 달라지고, 이 힘이 피에조(Piezoelectric) 소재를 휘게 하면서 전기가 만들어진다. 피에조는 반복적 변형이 클수록 전기 출력이 증가하기 때문에 공진 상태를 유지하는 것이 중요하다.

연구팀은 기존 방식에서 한쪽 자석만 움직이던 구조를 개선해 피에조를 중앙에 고정하고 양쪽에 반대 극성의 자석을 배치한 '대칭 진동 구조'를 새롭게 설계했다. 송전선 주변의 교류 자기장이 방향을 바꿀 때마다 두 자석이 동일한 방향으로 진동하며 피에조 변형을 극대화해 기존 방식보다 약 두 배의 전력을 생산할 수 있었다.

또한 자석 주변에 자기장을 집중시키는 자속 집중 장치(Magnetic Flux Concentrator, MFC)를 적용해 약한 자기장에서의 전력 변환 효율을 20% 이상 향상시켰다.

연구팀은 헬름홀츠 코일을 이용해 10가우스(Gauss) 이하의 송전선 주변과 유사한 자기장 환경을 구현해 성능을 검증했다. 실험 결과, 개발된 하베스터는 5.4Gauss 수준의 미약한 자기장에서도 25.2mW/㎤의 전력 생성이 가능한 것으로 나타났다.

이번 기술 성과는 생기원 대표과제로 수행됐으며, 관련 기술에 대한 국내 특허 2건이 등록됐다. 연구 결과는 센서·액추에이터 분야 국제 저명 학술지 '센서스 앤드 액추에이터스 A: 피지컬(Sensors and Actuators A: Physical)'에 게재됐다.

윤승하 수석연구원은 "송전선 주변의 미약한 자기장만으로도 전력을 얻을 수 있는 기술"이라며 "향후 송전설비 주변 IoT 센서나 초소형 드론 등에 적용해 상시 운용 가능한 자가전원 플랫폼으로 발전시킬 계획"이라고 말했다.

김종화 기자 justin@asiae.co.kr