작성일 : 19-05-09 19:29
재료연 황건태 박사 공동연구팀 , 미세 자기장을 마찰전기 에너지로 변환하는 기술 개발 , "버려지는 자기장으로 산불 화재 예방한다"
 글쓴이 : happy
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버려지는 자기장을 이용해 화재나 정전을 예방하는데 활용될 수 있는 기술이 개발됐다. 

재료연구소(소장 이정환)는 황건태 분말세라믹연구본부 박사 연구팀이 이삼녕 한국해양대 교수 연구팀, 류정호 영남대 교수 연구팀과 함께 미세 자기장을 전기에너지로 변환하는 자기·기계·마찰전기 변환소재와 이를 이용한 에너지 발전기를 개발했다고 7일 밝혔다. 

발전소에서 만들어진 전기는 송배전 선로를 이용해 가정이나 공장에 공급된다. 이 과정에서 시설 노후화와 뜻하지 않은 사고로 과전류가 흐르거나 전선이 끊어질 경우 화재나 정전이 발생할 수 있다. 

이에 송배전 선로에 대한 주기적 점검이 이뤄지지만 고압의 전기가 흐르는 송전탑이나 산속에 위치한 전신주는 인력을 이용한 유지 보수가 어렵다는 한계점이 있었다. 

최근에는 무선 사물인터넷 센서 기술을 활용해 송배전 선로의 안정성을 실시간으로 파악하려는 시도가 이뤄지고 있다. 하지만 관련기기에 전원을 공급하기 위해 주기적으로 배터리를 교체하거나, 부피가 크고 값비싼 변압기를 설치해야 했다.

송배전 선로에는 항상 교류 전류가 흐르고 있고, 앙페르의 법칙에 의해 전선을 중심으로 소용돌이 모양의 미세 자기장이 발생한다. 이렇게 버려지는 자기장을 이용해 전기에너지를 생성하고, 사물인터넷 센서에 전원을 공급하면 송배전 선로의 사고 예방에 활용될 수 있다. 

연구팀미세 자기장을 전기에너지로 변환해 IoT센서 시스템을 별도의 배터리 없이 구동했다. 연구팀은 특별히 설계된 자석 구조체를 활용해 미세 자기장을 기계에너지로 변환시켰고, 이를 다시 마찰전기 효과를 이용해 전기에너지로 변환시켰다.

자기-기계-마찰전기 변환에서 생성되는 전기에너지의 크기는 마찰대전물질의 표면적 크기에 비례한다.

연구팀은 미세한 소금 나노분말을 음속에 가까운 속도로 마찰대전물질에 분사해 함몰시킨 후 물을 이용해 소금을 융해함으로써 친환경적으로 복잡한 형태의 대면적 나노구조체를 마찰대전체 표면에 형성해 정격출력에너지를 수 밀리와트(mW)급으로 높였다.

기존 자기장을 활용한 에너지 발전소자는 코일을 이용해 유도전기를 발생시키는 방식을 사용했다. 이 방식은 부피가 크고 에너지 변환 효율이 떨어지는 문제점이 있었다. 

연구팀신개념 자기장 구동형 마찰전기 대전체를 도입해 부피는 작지만 우수한 출력을 가지는 자기-기계-마찰전기 발전기를 개발했고, 이는 공간적 제약이 적어 송배전 선로에 보다 광범위하게 설치할 수 있다. 

연구책임자인 황건태 재료연 선임연구원"이 기술을 이용하면 저렴한 비용으로 미세한 자기장을 전기에너지로 변환하는 소형 발전기를 제작할 수 있다"며 "이를 송배전 선로에 활용할 경우 이상 징후를 실시간으로 파악해 화재·정전 등의 대형사고를 사전에 방지할 수 있을 것"이라고 말했다.

이번 연구는 재료연구소의 자체연구사업, 국가과학기술연구회의 창의형융합연구사업, 한국연구재단의 중견연구자지원사업과 글로벌프론티어사업의 지원을 받아 수행됐다.

연구결과는 에너지 분야 국제 학술지 영국왕실화학회(Royal Society of Chemistry) '에너지 앤 인바이런멘탈 사이언스지(Energy & Environmental Science)'에 게재됐다.
자기장 발생용 헬름홀츠 코일에 설치된 자기·기계·마찰전기 발전기의 실제 모습.<자료=재료연구소 제공 >자기장 발생용 헬름홀츠 코일에 설치된 자기·기계·마찰전기 발전기의 실제 모습.<자료=재료연구소 제공>