[TECH meets DESIGN] 플라스틱으로 전기 발전하는 압전기 포집 기술 나와

최근 한 오스트리아의 연구진이 자전거와 풍력 발전기 회전 날개 등 움직이는 표면에 부착시켜 전력을 발전시킬 수 있는 기술을 개발해 기성 알칼리 또는 리튬 건전지를 대체할 수 있는 친환경 전력 공급 솔루션을 제시해 주목된다.

향후 저렴하면서도 효율적인 친환경 e-자전거와 마운틴바이크용 필수 안전 사양장치로 도입될 전망이어서 유럽의 전기 자전거 전문 제조업체와 풍력 발전기 개발업계에 이미 응용되고 있다.

오스트리아 동남부 도시 바이츠(Weiz)에 위치한 요아네움 리서치 연구소(Joanneum Research)의 재료공학부에서 하이브리드 전자 및 단도 기술(Hybrid Electronics and Patterning Technologies) 재료 분야 연구를 지휘하는 요나스 그로텐(Jonas Groten) 박사 팀은 반도체 웨이퍼(wafer)처럼 얇고 라이터 속에 들어갈 만큼 작은 크기의 플라스틱 센서로 전기 자전거 구동과 모니터에 공급하기 충분한 전력을 포집・발전하는 기술을 개발해 상용화에 성공했다.

‚‘EU 심포니 프로젝트(EU Project SYMPHONY: Smart Hybrid Multimodal Printed Harvesting of Energy의 축약어)’라는 프로젝트 명을 달고 2021년 10월 착수해 18개월 연구 기간을 거쳐 추진된 이 EU 후원 과학기술 프로젝트는 그로텐 교수 팀이 개발한 플라스틱 전기 발전 센서는 압전 효과(piezoelectric effect)를 응용한 사례로 꼽힌다.

가령, 이 원리를 사용하는 피에조 점화 라이터(piezo lighter)는 압전 결정자(piezo-electric crystal)에 압력을 가하고 마찰을 일으켜서 빠져나가는 가스에 불을 점화시키는 원리로 작동한다. 피에조 점화식 라이터에서 발생하는 전기 쇼크는 전력이 낮아서 사용자에게 위험은 없지만 사용감이 거칠게 느껴질 수 있다는 것이 단점이다.

♢ e-자전거용 구동 및 모니터용 전력 자가 전력 공급 가능

이와 동일한 원리를 응용한 ‚압력 센서‘ 기술은 이미 자동차 타이어에 널리 사용되고 있다. 타이어 고무층 내면에 부착된 전도성 센서가 타이어에 가해지는 압력과 외부 도로 온도를 감지하여 타이어 상태를 운전자에게 실시간으로 알려주는데 활용되고 있다.

자전거에도 유사한 원리가 적용 가능하다.

이번 산학 연구 프로젝트에 참여한 비엔나 본사의 자전거 타이어 튜브 전문 제조업체인 투볼리토(Tubolito)가 자체 개발한 타이어 내부 튜브에 그로텐 교수  연구진이 개발한 이 작고 얇은 폴리머 압력 센서를 부착시킨다.

연구진은 T-셔츠 직물 인쇄 기술에 사용되는 것과 동일한 스크린 인쇄 기술을 이용해 폴리머 판에 센서를 인쇄하는 공법을 채용했다.

그로텐 교수 연구진이 개발한 이 작고 얇은 폴리머 센서를 자전거 바퀴의 안쪽의 내부 튜브에 부착된 센서는 자전거 타이어가 회전하며 받는 반복적 압력으로부터 전기 에너지를 생성시켜 스마트폰이나 전기 자전거(e-bike) 컴퓨터로 1분에 2번씩 블루투스를 통해 전달시킨다.

자동차 타이어에 응용되는 압력 센서를 통해 발생된 전력은 공기 중으로 방출 소실된다는 문제점을 해결해 e-자전거에 전기 에너지 공급용으로 전환시켰다.

♢ 풍력 발전기 터빈 정비와 관리 용도로 유망

폴리머 센서는 풍력발전기 터빈에도 응용이 가능할 것으로 보인다. 

현재 오스트리아 제2도시 그라츠에 자리한 첨단 센서 기술업체인 에올로긱스(Eologix) 사가 이 센서를 풍력기 날개에 설치하는 방안을 실험 중에 있다.

특히 눈이 자주 내고 냉각돼 세심한 관리가 필요한 겨울철, 풍력발전기 로토 날개 표면에 센서를 패치처럼 직접 부착시키고 풍력발전기 나셀(로터가 구동한 회전력을 전기 에너지로 변화시키는 장치가 설치돼있는 풍력발전기의 심장부)로 정보 수신하는 방식이다.

이제까지 풍력발전기의 정비 관리에 설치된 센서는 미세 태양광 전지를 사용해 자체 전력 공급을 하는 방식을 사용해왔으나, 특히 북구 유럽처럼 겨울철이 길뿐만 아니라 일조량이 전무한 흑야가 수 개월 지속되는 환경에서 풍력으로 구동되는 센서는 매우 유용한 역할을 할 것이라고 그로텐 박사는 자신한다.

그로텐 박사 팀의 압전 및 풍력 구동식 폴리머 센서 에너지 포집 기술은 태양광 집전 에너지 기술을 대체할 수준은 못된다. 태양광 발전에 비하면 밀리와트 수준으로 전기 발전량이 매우 작기 때문에 폴리머라는 유독성 합성 화학물을 친환경적 에너지 생산 재료로 전환했다는 것은 친환경 에너지 전환기에 기여할만한 의미있는 성과다.