송전선 주변 자기장으로 전기 만든다

[아이뉴스24 정종오 기자] 송전선에서 발생하는 자기장으로 전기를 만드는 기술이 나왔다. 외부 환경에서 충전이 어려운 드론이나 센서 등의 충전이 가능하다.

한국생산기술연구원(원장 이상목) 에너지나노그룹 윤승하 수석연구원 연구팀은 송전선 주변에서 발생하는 원형 자기장을 효과적으로 수집할 수 있는 새로운 에너지하베스팅 방식을 구현하는 데 성공했다고 9일 발표했다.

기술 개발의 핵심은 중앙 고정·양측 자석 기반의 대칭 진동 구조를 적용한 것이다.

자기장 기반 에너지하베스팅은 자기장의 세기나 방향이 변할 때 피에조(Piezoelectric material)에 연결된 자석에 작용하는 힘이 달라지고 그 힘으로 피에조가 휘면서 전기가 생성되는 방식이다. 피에조(Piezoelectric material)는 눌리거나 구부러지는 등 기계적 변형을 받으면 전기가 만들어지는 특성을 가진 소재를 말한다.

피에조는 크게 반복적으로 휘어질수록 전기 생성량이 커지고 출력도 유지된다. 이 때문에 공진 상태에서 충분한 변형이 일어나도록 만드는 것이 중요하다.

자기장 에너지하베스팅 방식은 이 때문에 피에조 한쪽을 고정한 채 다른 한쪽에 자석을 배치해 외부 자기장에 의해 움직일 수 있도록 설계된다.

연구팀은 이러한 기본 구조에서 더 나아가 송전선 주변에서 형성되는 원형 형태의 교류 자기장이 자석을 지속적으로 밀고 당긴다는 점에 착안했다. 피에조가 공진 상태를 유지하며 크게 휘어질 수 있는 대칭 진동 구조의 모듈을 개발했다.

피에조를 중앙에 고정하고 양쪽에 서로 반대 극성을 갖는 영구자석을 배치했다. 송전선 주변 자기장의 방향이 바뀔 때마다 양측 자석이 같은 방향으로 움직이도록 설계된 에너지하베스팅 모듈이다.

이러한 구조에서는 하나의 자석과 피에조를 이용하는 기존 방식과 비교했을 때 2배 많은 전기를 생산할 수 있다.

자석 주변에 자기장을 모아주는 장치(Magnetic Flux Concentrator, MFC)를 배치해 약한 자기장에서도 자석에 전달되는 힘을 높인다. 피에조 단위 면적당 전력 변환 효율을 20% 이상 높인 성과도 거뒀다.

연구팀은 구조 검증을 위해 헬름홀츠 코일(Helmholtz)을 활용, 송전선 주변과 유사한 조건인 10가우스(Gauss) 이하의 자기장 환경을 구현했다.

실험 결과 개발된 하베스터는 송전선 주변 5.4Gauss 수준의 약한 자기장에서도 25.2㎽/㎤ 수준의 전력 확보가 가능한 것으로 나타났다.

이번 성과(논문명: Energy harvesting with magneto-mechano-electric harvester for AC circular magnetic fields)는 생기원 대표과제를 통해 수행돼 국내 특허 2건이 등록됐다. 센서·액추에이터 분야 국제학술지 ‘Sensors and Actuators A: Physical’에 실렸다.

윤승하 수석연구원은 “송전선 주변에서 발생하는 미약한 자기장도 전력으로 전환할 수 있는 기술”이라며 “앞으로 송전설비 주변 사물인터넷(IoT) 센서나 초소형 드론처럼 외부 환경에서 충전이 어려운 장치에 적용해 상시 운용가능한 자가 전원 기술로 발전시킬 계획”이라고 말했다.