재료연구소, 세계 최고 성능 소재와 에너지 발전기 개발 성공

재료연구소, 세계 최고 성능 소재와 에너지 발전기 개발

국내 연구진이 버려지는 자기장을 이용해 전기에너지를 생산하는 세계 최고 성능의 소재와 에너지 발전기를 개발하는데 성공했다.

재료연구소(KIMS) 분말세라믹연구본부 황건태 박사 연구팀은 한국해양대 이삼녕 교수 연구팀, 영남대 류정호 교수 연구팀과 공동 연구를 통해 집, 공장, 송배전선로, 지하도 등에 흔히 설치된 전선에서 발생하는 미세 자기장을 정전기 효과를 이용해 전기에너지로 변환하는 자기-기계-마찰전기 변환소재와 이를 이용한 에너지 발전기를 세계 최초로 개발했다.

발전소에서 만들어진 전기는 송배전 선로를 이용해 가정 및 공장 등에 공급된다.

이 과정에서 시설의 노후화와 뜻하지 않은 사고로 과전류가 흐르거나 전선이 끊어질 경우 화재 및 정전 등이 발생해 사회·산업·경제적 측면에서 큰 손실을 초래할 수 있다.

사고 방지를 위해 송배전 선로에 대한 주기적인 점검이 이뤄지지만 고압의 전기가 흐르는 송전탑이나 산속에 위치해 접근이 어려운 전신주는 인력을 이용한 유지 보수가 더욱 어렵다.

이러한 이유로 무선 사물인터넷(IoT) 센서 기술을 활용해 송배전 선로의 안정성을 실시간으로 파악하려는 시도가 이뤄지고 있다.

하지만 관련기기에 전원 공급을 위해 주기적 교체가 필요한 배터리를 이용하거나 부피가 크고 고가인 변압기 등을 설치해야 하므로 막대한 인력과 비용이 소모되는 문제점이 있다.

한편 송배전 선로에는 항상 교류 전류가 흐르고 있고, 앙페르의 법칙에 의해 전선을 중심으로 소용돌이 모양의 미세 자기장이 발생하는데 이렇게 버려지는 자기장을 이용해 전기에너지를 생성하고 IoT센서에 전원을 공급하게 된다면 송배전 선로의 사고 예방에 큰 도움을 줄 수 있다.

연구팀은 미세 자기장을 전기에너지로 변환해 IoT센서 시스템을 별도의 배터리 없이 구동하는데 성공했다.

연구팀은 특별히 설계된 자석 구조체를 활용해 미세 자기장을 기계에너지로 변환시켰고, 이를 다시 마찰전기 효과를 이용해 전기에너지로 변환시켰다.

연구책임자인 재료연구소 황건태 선임연구원은 "이 기술을 이용하면 매우 저렴한 비용으로 미세한 자기장을 전기에너지로 변환하는 소형 발전기를 제작할 수 있다"며 "이를 국가기간 시설인 송배전 선로에 적극적으로 활용할 경우 이상 징후를 실시간으로 파악해 화재 및 정전 등의 대형사고를 사전에 방지할 수 있을 것"이라고 말했다.

이번 연구 성과는 재료연구소의 자체연구사업, 국가과학기술연구회의 창의형융합연구사업, 한국연구재단의 중견연구자지원사업과 글로벌프론티어사업의 지원을 받아 수행됐다.

연구팀은 관련 연구결과를 에너지 분야의 세계 최고 학술지인 영국왕실화학회의 '에너지 앤 인바이런멘탈 사이언스지'에 게재(제1저자 재료연 임경원)했고 관련 원천특허를 출원하는 한편 실용화를 위한 후속 연구를 진행 중이다.