일본산업뉴스요약

실리콘 '빗살'로 진동 발전
도쿄대학, 진동 발전 소자 개발/ 소형 통신기기나 센서의 전원

도쿄대학의 도시요시(年吉) 교수 연구팀은 실리콘을 미세한 ‘빗살’ 모양으로 가공하여 대전(帶電)시켜, 작은 진동으로 발전할 수 있는 소자를 개발하였다. 도로나 신체 등에서 발생하는 진동을 이용해 소형의 통신기기나 센서 등을 가동할 수 있는 전기를 발생시킨다. 태양광이나 열 등의 환경에너지에서 전기를 추출하는 기술과 비교해 작은 소자로 큰 발전량을 얻을 수 있다. IoT(사물인터넷) 시대의 기기의 전원으로 응용한다. 3년 후의 실용화를 목표하고 있다.

IoT 시대에서는 인터넷에 연결된 센서나 단말이 대량 설치되어 데이터를 수집한다. 예를 들면, 노후화가 진행되는 인프라의 점검을 위해 도로나 다리에 센서를 장착하는 연구가 진행되고 있다.

전원에 배터리를 사용하면 배터리를 교체하거나 충전 등을 해야 한다. 때문에 이러한 수고가 불필요한 전원이 요구된다. 태양광이나 진동, 열 등의 에너지로 발전하는 ‘환경 발전’이 주목을 받고 있다.

재생가능에너지로서 태양광 발전은 이미 일반적이다. 단, 어두운 장소에서는 발전이 불가능하고 어느 정도의 면적이 필요하기 때문에 작은 IoT 기기에 탑재하기에는 적합하지 않다. 온도 차를 이용해 발전하는 기술은 효율이 좋은 재료를 찾고 있는 단계로 실용화까지는 아직 멀었다고 할 수 있다.

개발한 소자의 재료인 실리콘은 저가의 반도체 재료로서 널리 보급되고 있다. 개발한 소자도 양산이 가능하다면 비용을 억제할 수 있다. 도시요시 교수는 “장기적으로는 100µW(마이크로와트)의 전력을 만들어 내는, 한 변 길이 7mm인 정육면체 소재를 수백 엔에 제조할 수 있다”라고 말한다. 대량의 IoT 기기를 사용해도 대응할 수 있다고 한다.

개발한 소자의 발전 부분은 2개의 ‘빗살’이 맞물려 있는 구조다. 빗살 하나의 크기는 폭 20µm(마이크로는 100만분의 1), 길이 650µm다. 표면을 열처리함으로써 전기를 띠게 한다. 다수의 빗살이 모였다 벌어졌다 하며 전기를 만든다. 실리콘은 가볍고 잘 움직이지 않기 때문에 잘 흔들리도록 가동부에 추를 장착한다.

세로 2cm, 가로 3.5cm 크기의 소자를 사용하여 발전을 시험하였다. 고속도로의 진동을 계측한 후, 실험실에서 이를 재현해 소자를 흔들었다. 최대 500µW의 발전을 확인할 수 있었다. 무선통신기기나 센서 등과 조합하여 스마트폰에 분당 1회의 빈도로 온도와 습도 데이터를 발신할 수 있었다.

개발한 진동발전소자는 실리콘으로 만든 집적회로 칩과 조합하는 응용도 상정하고 있다. 레이저를 사용한 열처리를 사용해, 목표한 부분의 표면에만 전기를 띠게 할 수 있다. 회로의 뒤쪽에 진동발전소자를 직접 만들 수 있게 되면 전원을 연결하지 않고 회로만으로 움직일 수 있을 것으로 보고 있다.

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