압전 에너지 하베스팅

왜 배우는가: 압전 에너지 하베스팅은 버려지는 진동·압력 같은 기계에너지를 전기로 바꾸는 기술로, 소형 무선 센서와 저전력 기기의 전원 문제를 푸는 대안으로 주목받는다. 압전효과와 전기적 등가회로, 에너지 변환 흐름은 기술사 시험에서 용어형과 논술형으로 반복해 출제된다.

출제 이력: 제134회 3교시 4번, 제122회 4교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

압전 에너지 하베스팅은 진동·압력 등 주변의 버려지는 기계에너지를 압전소자로 전기에너지로 변환해 저장·활용하는 기술이다.

• 압전효과(Piezoelectric Effect)
• 역압전효과(Converse Piezoelectric Effect)
• 에너지 하베스팅(Energy Harvesting)
• 공진 주파수(Resonance Frequency)
• 전기기계 결합계수(Electromechanical Coupling Coefficient)
• 등가회로(Equivalent Circuit)
• 전력밀도(Power Density)

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 물건을 누르거나 흔들었을 때 생기는 작은 전기를 모아 쓰는 기술이다. 사람의 걸음, 도로의 차량 진동, 수도관의 떨림처럼 지금까지 버려지던 에너지가 대상이다.

정식으로는 압전 재료가 기계적 변형을 받으면 표면에 전하가 생기고, 이 전하를 회로로 모아 전력으로 쓰는 것을 말한다. 이 현상을 압전효과라 한다. 압전효과는 역으로도 일어난다. 전압을 가하면 재료가 변형되는데, 이를 역압전효과라 한다. 두 효과는 기계와 전기 상태 사이의 선형 결합이며, 결합이 얼마나 잘 되는지를 전기기계 결합계수 k로 나타낸다. 결합계수는 재료가 전기에너지를 기계에너지로, 또는 그 반대로 바꾸는 효율의 지표다.

압전소자는 전기적으로 등가회로로 모델링한다. 소자 표면의 정전용량 C, 절연 누설저항 R, 변형에 의해 생기는 전하원 q가 병렬로 연결된 형태다. 부하저항이 연결되면 이 부하는 절연저항과 병렬로 붙는다. 이 모델에서 압전소자의 출력 신호는 시간이 지나면 빠르게 감쇠한다. 따라서 정적인 힘이나 압력 측정에는 맞지 않고, 진동 같은 동적 측정이나 하베스팅에 적합하다.

압전 에너지 하베스팅의 핵심 조건은 입력이 시간에 따라 변하는 교류형 기계진동이라는 점이다. 압전 효과는 정적 하중에서는 전하가 흘러나가 출력이 사라지므로, 진동이 있어야 연속 출력이 나온다. 효율을 높이려면 재료의 공진 주파수에 맞춰 설계해야 한다.

3. 등장 배경과 필요성

기기가 작아지고 무선화되면서 배터리 교체의 불편과 비용이 커졌다. 최근에는 진동, 소음, 열, 태양광처럼 밀도는 낮지만 주변에 늘 있는 에너지원을 쓸 수 있게 되었다. 이 에너지원을 전기로 바꾸면 배터리를 대체하거나 충전 주기를 늘릴 수 있다.

압전 방식이 주목받는 이유는 기계에너지를 직접 전기로 바꾸기 때문이다. 별도의 발전 기계나 연료가 필요 없고, 구조가 단순해 소형화가 쉽다. 또 기후와 관계없이 실내외의 진동을 이용할 수 있다. 이런 특징 때문에 무선 센서 노드, 웨어러블 기기, 건축물 상태 진단 센서의 전원으로 연구가 활발하다.

압전 하베스팅은 1990년대 후반부터 본격적으로 연구되었다. 초기에는 외팔보 형태의 압전 발전기를 해석식으로 설계하는 방식이 주로 쓰였다. 이후 유한요소 해석과 형상 최적화가 도입되어 같은 양의 압전 재료로 더 큰 출력을 얻는 형상을 설계하는 연구로 발전했다.

출력 규모는 대부분 밀리와트(mW) 수준이다. 이는 대형 설비의 전원으로는 작지만, 소형 무선 기기와 일부 휴대 기기에는 충분한 수준이다.

4. 구성요소·원리·절차

압전발전은 기계적 변형이 압전소자의 분극 변화를 일으켜 전하를 만들고, 이 전하를 회로에서 전기에너지로 저장하는 과정이다. 구성은 기계적 에너지를 모으는 구조, 변형을 전하로 바꾸는 압전소자, 교류 전하를 직류로 정류하는 회로, 에너지를 모아 두는 저장장치로 나뉜다. 각 단계의 효율이 전체 출력을 결정한다.

압전소자는 결정 구조에 반전대칭이 없는 물질이 기계적 응력을 받으면 표면에 극성 전하가 나타나는 현상을 이용한다. 역으로 전기장을 걸면 물질이 변형되는 역압전효과도 함께 나타난다. 하베스터에서 사용하는 것은 정효과이며, 진동이 주기적으로 가해질 때 교류 전하가 발생한다.

압전발전의 출력은 기계 입력의 주파수가 소자의 공진 주파수에 가까울수록 커진다. 공진에서 변형 진폭이 최대가 되므로 같은 가속도에서도 전하량이 커진다. 따라서 설계는 대상 진동의 주파수 대역을 먼저 정하고 공진점을 그 대역에 맞추는 순서로 진행한다.

구성요소를 표로 정리하면 다음과 같다.

표에서 보듯 소자 자체보다 구조 설계와 정류 회로가 실제 출력을 좌우하는 경우가 많다. 압전소자는 재료 강도에 따라 가속도 한계가 정해지고, 그 한계가 출력 밀도의 상한이 된다.

압전발전시스템의 절차는 다음과 같다.

• 대상 진동원의 주파수·진폭·가속도를 측정한다.
• 구조 형상과 재료를 정하고 공진 주파수를 대상 대역에 맞춘다.
• 압전소자를 부착하고 전하를 정류 회로로 모은다.
• 정류된 직류를 커패시터 또는 전지에 저장한다.
• 저장된 에너지를 센서·무선 통신 등 부하에 공급하고 출력 특성을 검증한다.

소자의 전기적 특성은 등가회로로 나타낸다. 압전소자는 전하원과 커패시턴스가 병렬로 연결된 모델로 근사하며, 부하 저항이 여기에 병렬로 붙는다. 이때 출력 전력은 다음과 같이 쓴다.

$P=\frac{V^{2}}{R_{L}}$

여기서 P는 평균 출력(W), V는 부하 양단 전압(V), R_{L}은 부하 저항(Ω)이다. 최대 전력은 부하 저항이 소자의 내부 임피던스 크기와 같을 때 얻어진다. 계산 결과가 mW 수준이면 일반적인 저전력 센서 구동 범위와 맞는 값이다.

5. 관련 법령·기준·표준

압전 에너지 하베스팅은 아직 법정 설치기준이 정해진 분야가 아니다. 따라서 관련 기준은 전기설비 일반 규정과 재료·계측 표준에서 찾는다. 건축전기설비에서는 발전설비를 건축물에 연계할 때 「전기설비기술기준」과 한국전기설비규정(KEC)을 따른다. 2021-01-01부터 한국전기설비규정(KEC)이 적용된다. 옛 '전기설비기술기준의 판단기준'은 대체되었다.

압전 재료의 성능은 다음 값으로 비교한다. 아래 값은 일반적인 압전 세라믹의 대표 범위이며 재료 제품마다 차이가 있다.

전기기계결합계수 k는 전기 에너지와 기계 에너지 사이의 변환 효율을 나타내는 무차원 지표다. 첫 번째 아래첨자는 전극 방향, 두 번째 아래첨자는 기계 에너지가 작용하는 방향을 뜻한다. 압전 상수는 재료가 단위 응력당 발생시키는 전하량이므로 소자 선정 시 함께 본다.

재료 시험과 계측은 IEEE 표준 압전 시험 방법을 참조하는 경우가 많다. 표준 번호는 확실하지 않으므로 이름만 쓴다. 압전 센서의 정적 측정 한계는 전하가 시간에 따라 감쇠하므로 동적 계측에 적합하다는 점도 기준 판단에 쓴다.

국내에서는 신재생에너지 설비 인증과 전기 안전 규정을 함께 적용한다. 압전 발전 모듈을 상용 전원으로 쓰려면 정류·저장 회로의 안전 기준과 전기용품 안전 기준을 확인해야 한다. 이 기준들은 현재 명확히 정해진 조문이 없으므로 시스템 설계 단계에서 적용 범위를 정하는 것이 필요하다.