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Nikkei X-TECH_2020.11.27

알루미늄(Al) 모재(母材)의 충격 발전 복합재료
와이어를 이용한 매립 구조로 출력 증대

도호쿠(東北)대학과 야마가타(山形)대학은 충격에너지를 고효율의 전기에너지로 변환하는 경금속 복합재료를 개발했다고 발표했다. 도호쿠대학 대학원 환경과학연구과(공학부 재료과학종합학과)의 나리타(成田) 교수 그룹과 야마가타대학 학술연구원(대학원 이공학연구과) 무라자와(村澤) 교수 그룹의 공동연구를 통해 실현된 성과이다. 2개의 자성 와이어(Fe-Co와이어)를 알루미늄(Al) 합금에 매립하는 구조를 통해 단위 체적당 출력 전압을 늘렸다.

연구그룹은 도호쿠특수강(東北特殊鋼)의 협력을 얻어 직경 0.5mm의 철-코발트계 Fe-Co와이어를 제작. 2개의 Fe-Co와이어를 꼬아, 하나의 와이어로 만들어 Al 합금에 매립했다. 연구그룹은 거푸집∙지그 재료와 형상을 고안하여 꼬아서 합친 Fe-Co와이어 여러 개를 직선 형태로 세우는 방법으로 Al 합금을 주조할 수 있게 되었다고 한다. 아울러, 제작 시의 온도와 시간 등의 조건을 검증해 Fe-Co 와이어와 알루미늄합금 모재 계면의 제어가 가능해지면서 강도를 높일 수 있었다.

개발한 복합재료에 변이 속도 2mm/초의 충격 하중을 가한 결과, 1회의 충격으로 1㎤ 당 약 0.2V의 출력을 확인할 수 있었다. 이 수치는 Fe-Co와이어를 꼬아 만들지 않은 복합 재료의 4배이다. 바이어스 자기장(Bias magnetic field)의 방향을 연구한다면 출력은 더욱 증가해 10배 이상의 전력도 기대할 수 있다고 한다. 연구그룹은 IoT(Internet of Things)에 이용되는 무선 센서용 전원으로서 충분한 전력이라고 한다.

연구그룹에 따르면 역자기변형 효과를 이용한 진동∙충격에너지 발전 복합재료의 모재는 지금까지 에폭시계 재료에 한정되어 있었다. 이에 반해 새롭게 개발된 복합재료는 Al 합금을 모재로 하고 있기 때문에 큰 충격하중이나 비교적 고온의 환경 아래에서도 에너지를 회수할 수 있다고 한다. 예를 들어 Al 합금 자동차 부재나 수송기기의 엔진 구동부로부터 전기 신호를 받아, 이들 부품에 전원 기능을 부여할 수 있다.

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