 ‘번개’를 만드는 회사 ㈜고선 압전 기술의 한계를 뛰어넘는 ‘파전’
무질서하게 소실되는 에너지를 사용 가능한 형태로 전환하는 기술을 에너지 하베스팅이라고 한다. 이번 호에는 압전을 비롯해 파전(波電)으로 에너지 하베스팅과 다양한 응용 기술을 개발한 ㈜고선을 찾아보았다. 최근에는 사람이 개입해 조작하지 않아도 모든 사물이 직접 인터넷에 접속되는 사물인터넷(IoT: Internet of Things)이 주목을 받고 있다. 사물인터넷 응용 분야로는 의료용 웨어러블(wearable)을 활용한 원격의료시스템이 있다. 이 기술은 병원에 가지 않아도 사람의 건강 상태를 모니터하고 진단함으로써 질환이나 위급한 상황을 예방할 수 있는 기술이다. 그러나 이러한 기술이 본격적으로 보급되려면 언제 어디서든 부담 없이 사용할 수 있는 전원을 확보해야 한다. 그래서 주목 받고 있는 분야가 에너지 하베스팅(energy harvesting)이다.
글 강창대 기자 | 자료제공 ㈜고선
에너지 하베스팅에는 열전소자가 활용되기도 하지만 진동 등 역학적 운동을 전기로 전환하는 방식이 널리 연구되고 있다. 이러한 방식에는 ▲전자 방식 ▲정전 방식 ▲압전 방식 ▲자기 변형 방식이 있다. 전자 방식은 역학적 운동으로 영구자석과 코일의 상대적 위치를 변화시킴으로써 코일에 발생하는 유도 기전력을 이용하는 발전기술이다. 정전 방식은 콘덴서에 전하를 축적하고 역학적 운동으로 이를 제어해 전기를 만드는 방식이다. 이때 전압을 가하지 않고도 전기 분극을 보이는 물질인 일렉트렛(electret)을 콘덴서로 사용하기도 한다. 압전 방식에서는 압전체에 응력을 인가함으로써 발생하는 전압을 발전에 응용한다. 압전체란 응력의 인가에 의해 결정에 일그러짐을 유발하면 전압이 발생하고(압전 효과), 전압을 인가하면 결정이 일그러지는(역압전 효과) 물질을 가리킨다. 자기 변형(magnetostriction)이란 강자성체가 자화할 때 일어나는 결정의 변형을 말한다. 이와는 반대로 강자성체에 일그러짐을 인가하면 자화가 변화하는 현상을 역자기 변형 효과라고 하며 전자 유도에 의한 전압을 만들어낼 수 있다.
지렛대의 원리를 닮은 파전
압전소자는 가정용에서부터 첨단기술 분야까지 광범위하게 활용되며 다양한 연구가 이루어져 왔다. 전 세계 압전소자 시장은 2016년에 235억4,000만 달러에서 연평균 성장률 4.88%을 기록했으며 2022년에는 313억3,000만 달러에 이를 것으로 전망되고 있다. 압전소자 시장은 제품 유형에 따라 압전소자 센서, 압전소자 엑츄에이터, 압전소자 모터, 압전소자 제너레이터, 압전소자 트랜스듀서 등이 있다. 압전소자 제너레이터 시장이 연평균 성장률 12.77%로 성장 가능성이 높다. 2000년을 전후로 비교적 작으면서도 친환경적이고 반영구적으로 전기를 만든다는 점 때문에 압전이 세계적인 이목을 끌었다. 국가들은 정책을 세워 큰 기업을 중심으로 압전에 투자하며 상용화를 추진해 왔다. 그러나 이렇다 할 성공적인 사례는 아직까지 알려진 게 없다. 한국에서는 2013년에 부산서면 지하철역에 압전으로 에너지를 생산하고 휴대폰을 충전할 수 있는 체험 시설로 ‘압전에너지 블록’이라는 시제품이 설치된 적이 있었지만 이내 철거되고 사람들의 기억에서 사라졌다. 압전 소자를 도로 시설물 등에 설치해 생산한 전기를 도로나 다양한 영역의 무선센서의 전원으로 사용하는 방안이 제시되기도 했지만 이렇다 할 실적은 아직 보고되지 않고 있다. 압전의 기술적 진보가 이루어지지 않는 것에 대해 ㈜고선의 배상철 대표는 압전이 중압에 의한 메커니즘을 활용한 애플리케이션이라는 점에서 한계가 있을 수 있다고 지적했다.
“물리적인 성형기술의 한계로 제조기술이 박막의 피에조(Piezo)의 크기가 30Ø 이하 수준으로 대형화가 불가능하고, 압전은 중압에 의한 기전으로 장파로 발전하며, 효율이 매우 약합니다. 그리고 너무 작은 중압은 기전이 일어나지 않고, 너무 큰 중압은 깨어져 버리기 때문에 장치 설치가 매우 까다롭고 많은 비용이 들지만, 이에 비해 기전력과 내구성이 떨어지죠. 또, 중압에 의한 메커니즘을 이용하기 때문에 바닥에 까는 장치 외에 생각할 만한 게 없습니다. 인풋(Input)에 비해 아웃풋(Output)이 떨어져 효율이 낮다는 문제도 있습니다.”
배상철 대표는 압전이 가진 한계를 극복하는 기술로 파전(波電, Shock Wave Power)을 제안한다. 파전은 압전에 사용하는 피에조를 사용하거나 이를 판재에 붙이는 방식은 동일하지만, 누르는 힘 즉, 중압이 아니라 부드럽고 강한 파(波)를 활용한다는 점에 근본적인 차이가 있다. 이때 파 또는 웨이브(wave)는 목표로 하는 중심에 동일한 시간에 집중적으로 충돌한다. 이때 모인 힘의 파장이 빠져나갈 틈이 없어 폭발적인 충격파가 초단파의 형태로 피에조에 파전, 타전, 압전 효과를 동시에 내게 된다는 것이다. 그러면서 작은 인풋으로도 아웃풋을 극대화할 수 있고, 메커니즘이 단순하기 때문에 장치의 비용을 최소화할 수 있다는 것이다.
“사전에서 ‘파전’은 파도를 이용해 전기를 만드는 것을 의미합니다만, ㈜고선이 창안한 파전은 영어의 ‘shock wave power’를 의미합니다. 판재에 피에조를 에폭시로 부착하는 것은 같지만, 압전이 중압을 목적으로 부드러운 박막의 황동 판재를 사용하는 것에 비해, 파전은 초단파의 강한 외력이 빨리 집중적으로 전달되면서도, 피에조가 깨어지지 않아야 되기에 조직이 강하고, 조밀하며, 전달력이나 전도성이 강한 소재를 사용합니다. 또한, 외력이 커도 피에조의 내구성이 보존되어야 하기에, 판재는 평면이 아니라, 자체적으로 강한 탄성과 복원이 이루어지면서 그 힘이 피에조부 가장자리 롤링밴딩부에서 멈추며, 박막의 피에조부 판재가 평면이 유지되도록 3차원 구조의 판재를 개발한 것입니다. 이 소재는 내부저항(impedance)이 작으면서 강한 탄성과 복원력 및 내구성이 조장되는 것입니다.”
말하자면, 파전은 소재 자체의 탄성복원력을 이용하는 메커니즘이다. 배상철 대표는 파전 소재가 외력에 수동적인 압전소재와는 달리, 작은 힘으로 총의 방아쇠만 당기면 능동적인 작동이 준비되어 마치 ‘연속발사가 가능한 장전된 총’과 같은 것이라는 설명을 덧붙였다.
“이렇게 준비된 파전 소재에 작은 외력이 가해지면, 파전 소자는 자체적으로 초단파의 강한 탄성력과 복원이 일어나게 됩니다. 이것은 지렛대의 원리와도 같습니다. 지렛대를 사용하면 작은 힘만으로 무거운 물체를 움직일 수 있는 것과 유사한 것입니다.”  다양한 파전 소자 회전형 130 발전기(좌), 130파이 ESS2 발전용 제품(우)
기전력과 내구성이 높고 응용성은 뛰어나
파전을 구성하는 기술은 크게 압전세라믹(PZT)과 판재, 구동장치 등 세 영역이다. PZT세라믹은 압전전계 계수가 기존보다 최대 600% 높다. 깨끗하고 넓은 축전 영역 라인 확보 기술로 PZT 공진 기전 주파수를 조정하는 기술도 개발돼 있다. 또한 박막 PZT 대형화 성형 기술로 ‘0.1 T ×50 Φ’과 ‘0.2 T ×60 Φ’에 이어 ‘0.3T ×100 Φ’까지 개발에 성공했다. 발전용 PZT는 박막의 크기가 관건인데, ㈜고선은 소자의 크기를 원하는 만큼 제조가 가능하다. 판재는 전도성과 탄성 복원력, 내구성, 조밀성이 강한 합금이다. 판재 자체의 탄성 복원을 위해 3차원 메커니즘 금형으로 개발됐다. 구조는 탄성 복원이 반복될 때 박막 PZT의 내구성을 확보할 수 있는 엠보싱 형상을 띤다. 구동 접착성과 근접 분류 에폭시 기술이나 작은 인풋으로 큰 아웃풋을 얻는 메카니즘, 축전 기술 등은 파전 기술을 광범위하고 유연하게 응용하는 것을 가능하게 해준다.
배상철 대표는 발전용 압전 소자용으로 파전 소자가 사용된다면 새로운 차원의 문을 여는 구심점이 될 것이라는 기대를 내비쳤다. 과학 교재 시장에서도 기존의 압전소자를 파전 소자가 대체하고 뛰어난 응용력과 기전력을 바탕으로 새로운 도전이 이어질 수도 있다는 것이다. 배 대표는 향후 계획과 포부를 이렇게 밝혔다.
“파전 기술은 압전 기술의 한계를 넘어 발전소자와 발전장치에 대한 기술지원을 하는 사업을 기본으로, 흥미나 안전을 목적으로 하는 발광사업이 금년에 시작됩니다. 발전의 꽃이라고 할 수 있는 ESS 관련 연구개발도 지속해 완숙한 결과를 내어놓을 계획입니다. 60Ø 피에조가 양면에 14개 에폭시된 500Ø 파전 발전소자가 2월에 완성과 출시를 앞두고 있습니다. 기전력과 효율, 내구성과 적용 다양화 및 발전분야에서 눈에 띄는 결실을 보게 될 것이라 생각합니다. 무엇보다, ㈜고선은 원천기술과 장치기술을 숨기기보다 기술을 공개하고 공유함으로써 더불어 발전하길 바랍니다. 다양한 기관과 단체, 기업들과 제휴와 협업함으로써 상용화를 앞당길 수 있으면 좋겠습니다. 파전 기술과 이 기술의 사업화에 관심이 있는 어느 누구도 환영합니다.”
㈜고선 주소: 경상북도 경산시 압량면 가일길8길 8 연락처: 053-801-4424
<Energy News>
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