일본산업뉴스요약

공장∙도로에서 발생하는 진동으로 발전(發電)
무선 IoT 분야에 응용

-- 1원 크기의 디바이스로부터 1mW --
공장의 모터 및 고가 도로에서 발생하는 진동을 좀 더 발전에 활용하자. 이러한 프레임 아래, 일상 생활에서 발생하는 진동을 1원 동전 크기의 디바이스를 통해 기존보다 한 자릿수가 큰 1밀리와트(mW) 전력 생산을 위한 산학(産學)의 기술 개발이 일보 전진했다. 모든 사물이 인터넷으로 연결되는「IoT」기술이 사용된 무선단말기 전원 등의 분야에서 실용 가능성이 높아질 전망이다.

-- 산학 기술로 기존보다 한 자릿수 큰 전력 생산, 2020년대에는 10배로 --
이 새로운 진동 발전 디바이스는 에어컨∙냉열 분야의 제어기기 등을 생산하는 사기노미야(鷺官)제작소, 도쿄 대학, 시즈오카(靜岡) 대학이 공동 개발했다. 공동 개발팀은 내장된 0.4g의 추에 주파수 500Hz, 가속도 0.996Grms(rms는 실효값)의 진동을 가해, 1.01mWrms의 전력을 발전한 것을 확인했다. 2018년의 현장 시험, 2020년의 양산화를 목표로 하고 있다. 또한, 발전 능력을 높인 차세대 기술 개발도 추진되고 있어, 2020년에는 동일한 방식을 통한 10mW의 실현을 계획하고 있다. 2020년 실용화를 목표로 한다.

개발된 진동 발전 디바이스는 Electret이 사용된 것이 특징이다. 일렉트릿이란, 영구 자석이 자기장을 띠고 있는 것처럼, 영구 분극(分極)에 의해 전기장을 갖게 된 재료이다. 영구 자석을 움직여 전자(電磁)유도 방식으로 발전하는 것과 같이, 일렉트릿을 움직여 정전(靜電)을 유도하는 원리로 발전기를 구성하였다.

이번 개발에서는 추를 포함한 수 mm 크기의 구조물을 통해 회로를 만들었다. 2개의 빗살 모양의 구조물을 마주보게 구성, 진동에 의한 움직임으로 발생되는 쿨롱힘(Coulomb force)의 변화로 각 구조체의 내부 전자가 이동(전류가 발생)하게 되는 시스템으로 이루어져 있다.

같은 원리에 의한 개발 성과는 과거에도 있었지만, 발전량은 수 십μW(마이크로와트, 마이크로는 100만분의 1 와트)에 머물렀다. 커다란 잠재 수요가 있을 것으로 예상되는 무선 IoT 단말기의 배터리를 대체해나가기에는 충분하지 않았다.

마이크로에서 미리로의 발전량을 향상시킨 이번 기술을 통해, 1mW 수준이 가능하게 된다면, 공장 내 모터 등 회전기기 및 고가 고로의 진동 등을 에너지원으로 하는 무(無)배터리 단말기로의 응용이 가능하게 된다. 1mW는 수 백 메가헤르츠(帶)를 운송파로 사용하는 서브 기가(1기가는 1억)헤르츠 등을 무선 통신을 통해 30m 발송할 수 있다는 계산이 성립한다.

진동 발전에는 압전(圧電)재료를 사용하는 방식과 전자유도를 사용하는 방식, 이 두 가지를 병용한 방식이 있다. 이와 같은 방식들은 발전 능력이 충분하지 못한 점, 일상 생활 속에서는 드문 강한 진동을 가하지 않으면 발전하지 않는 등의 과제를 안고 있다.

사기노미야제작소 등 공동연구팀은 이번 개발에서 정전 유도를 통한 발전 효과를 높이기 위해 크게 두 가지 기술을 도입했다. 하나는 일렉트릿 표면의 전하(電荷) 밀도를 높이는 기술이다. 채택된 것은 K+(칼륨이온)을 사용한 방법이었다. KOH(수산화칼륨)을 섭씨 수 백도에서 가스로 만들어 빗살 모양 구조체를 형성한 후의 웨이퍼에 접촉시키고, 구조체에는 수 백볼트의 전압을 가해 분극을 발생시킨다. 이것을 냉각해 높은 밀도의 지속적인 분극을 형성하는 시스템이다.

다른 하나는 구조체와 여백 공간을 각각 최소화하는 기술이다. MEMS(미세전자기계시스템)을 이용해 면적 당 빗살 모양 구조를 늘리고, 구조체의 움직임에 따른 쿨롱 힘의 변화가 커질 수 있도록 한다. 시작 디바이스 중 하나는 1283개의 빗살 모양 구조체가 수 마이크로미터의 간격으로 형성되어 있다.

실제 사용 환경에서 보다 많은 발전이 가능하도록, 광범위한 주파수 진동을 전력으로 변환하기 위한 연구도 추진되고 있다. MEMS으로 만들어진 구조체에는 일반적으로 고유의 공진 주파수가 있기 때문에, 공진 주파수 이외의 주파수 진동으로부터는 큰 전력을 얻지 못한다. 이로 인해 실제 사용 시, 발전량이 늘지 않는 경우가 있다.

이것을 해결하기 위해, Q값을 낮춰 효율적 특성이 주파수에 의존하지 않는 체계를 형성했다. 구체적으로는 제조 단계인 일렉트릿의 전하를 구조체에 축적하는 공정에서 인가전압(印可電壓)을 높였다. 이로 인해 Q값이 큰 폭으로 낮아진 것을 확인할 수 있었다.

-- 열에도 강한 재료--
일렉트릿 재료는 열에 약하다는 이미지가 있지만, 이번에 개발된 재료는 정전력(靜電力)이 1데시벨(dB)로 저하되기까지의 기간이 섭씨 65도에서 8년, 실온에서 400년 이상이라는 가속 시험 결과를 얻었다. 또한, 공동 개발 그룹은 이번의 10배에 해당하는 10mW 급의 발전을 가능하게 하는 연구도 추진하고 있다. 이번 일렉트릿에 의한 영구 분극을 이용해 이온 액체에 의한 전기 2중층(重層)을 형성하는 것이다. 이온 액체라는 것은 음이온과 양이온에서 만들어지는 소금의 일종으로, 상온에서는 액체로 존재한다.

이온 액체에 의한 전기 2중층으로 전극의 간격보다 훨씬 가까운 거리에서 전하를 마주하게 할 수 있어, 전극의 이동으로 얻을 수 있는 전력을 쉽게 높일 수 있게 된다.

 -- 끝 --