한국원자력연구원이 원자력 발전소 등 산업 설비에서 발생하는 진동을 전기에너지로 변환하는 '압전 에너지 하베스터' 출력 성능을 기존 대비 200% 향상시키는 기술을 개발했다고 4일 밝혔다.
최근 원자력 발전 산업은 설비 이상을 자동 감지하는 스마트 플랜트 구현, 자율운전 강화를 위해 무선센서 도입을 확대하는데, 상용 센서는 대부분 배터리 기반이다. 방사선 환경에서는 배터리 교체 작업이 안전·비용 측면에서 부담이 된다.
배터리를 대체할 수 있는 압전 에너지 하베스터 기술이 주목받지만 낮은 출력, '공진주파수(설비가 가장 크게 진동하는 주파수)'에 맞춘 구조 설계가 필요하다는 제약이 있다.
이에 이경자 원자력연 박사팀은 이건재 KAIST 교수팀, 박귀일 경북대 교수팀과 함께 감마선 조사를 통한 복합체 내부 구조 개선 원리를 연구, 이런 한계를 극복했다.
납을 사용하지 않은 친환경 고성능 압전소재를 유연하면서 열·화학적 안정성이 우수한 폴리이미드 소재와 함께 사용해 압전 복합체 하베스터 소자를 직접 제작했다.
소자에 감마선을 특정 조건으로 조사하면 복합체 고분자 사슬 구조를 끊고 보다 촘촘해지는 것을 확인·활용했다. 조사 결과 진동이 압전 소자에 얼마나 잘 전달되는지를 나타내는 '응력 전달 효율'이 크게 향상됐다. 설비 진동시 발생하는 힘이 분산되지 않고 압전 소자까지 효과적으로 전달되는 것이다. 또 같은 힘이 가해졌을 때 생성되는 전압 크기를 나타내는 '압전 전압 상수'도 증가했다.
응력 전달 효율과 압전 전압 상수가 모두 향상된 시너지 효과로, 조사 전 대비 개발 소자 출력 성능은 전압 약 240%, 전류 약 200% 증가했다.
특히 이번 연구는 감마선 조사로 에너지 하베스터 성능을 향상시키는 원리를 세계 최초로 규명해 학술적 의의도 크다.
에너지 하베스터 소자 구조·설계 변경 없이 사후공정만으로 출력 성능을 향상시킬 수 있다는 점에서 산업적 활용 가능성도 높다.
연구 결과는 케미컬 엔지니어링 저널 1월호에 게재됐으며, 관련 기술도 1월 국내 특허 등록을 마쳤다.
이정한 한국원자력연구원 기기안전진단연구부장은 “이번 성과는 원전 설비 진동 에너지를 이용한 배터리 프리 무선센서 구현을 위한 핵심 기반기술을 확보한 것”이라며 “향후 출력 고도화 및 시스템 통합 연구로 실제 원전 설비에 적용 가능한 자가발전 전원공급 기술로 발전시켜 나갈 계획”이라고 밝혔다.
김영준 기자 kyj85@etnews.com
