전력은 생산될 때부터 절반 이상 손실된다. 효율 등급이 높아도 열, 빛, 진동의 형태로 에너지가 버려진다. 이런 버려지는 에너지를 다시 모아주는 물질이 개발돼 주목을 받고 있다.

김미소 한국표준과학연구원 안전측정센터 선임연구원과 윤병동 서울대 기계항공공학부 교수 연구팀은 음향양자결정(Phononic Crystal) 란 메타 물질을 이용해 기존보다 22배 이상 증폭된 전기를 생산할 수 있는 ‘메타 에너지 하베스팅’ 시스템을 개발했다고 13일 밝혔다.

메타 물질은 자연계에 존재하지 않는 특성을 구현하기 위해 빛의 파장보다 매우 작은 크기로 만든 금속이나 유전물질로 설계된 메타 원자의 주기적인 배열로 이뤄졌다. 자연적인 물질들이 할 수 없는 방식으로 빛과 음파를 상호작용하도록 설계해 투명망토, 고성능 렌즈, 초민감 감지기 같은 새로운 응용 분야에 적용이 가능하다.

에너지 하베스팅은 버려지는 에너지를 모아 전기에너지로 전환해 다시 사용하는 기술로 소리, 진동, 초음파와 같이 어디서든 발생하는 기계적 에너지를 공급원으로 사용한다. 하지만 기계적 에너지 하베스팅은 생산 전력량이 부족해 응용분야가 제한적이고 경제적이지 못했다. 

연구팀은 이런 한계점을 개선하기 위해 버려지는 에너지를 처음부터 많이 모은 다음 수확하는 방법을 주목했다. 에너지를 모아주는 메타물질인 음향양자결정 구조를 개발해 에너지 하베스팅에 접목시켰다. 음향양자결정은 여러 곳에서 모은 에너지를 한 곳으로 최대한 저장할 수 있다. 실제 음향양자결정 구조를 접목시킨 하베스팅 시스템을 통해 기존대비 22배가 넘는 전기를 생산했다.

김 연구원은 “메타물질을 에너지 하베스팅에 접목해 센서와 같은 소자를 작동시킬 수 있는 밀리와트(mW)급 전력을 얻은 건 최초의 사례”라며 “에너지 하베스팅의 새로운 패러다임을 개척한 성과”라고 말했다.

윤 교수는 “고층 빌딩, 교량과 같이 접근이 어려운 구조물을 진단하는 IoT 센서가 전력 부족으로 작동하지 않으면 위험을 초래할 수 있다”며 “이번 기술은 진동과 같이 구조물 자체에서 발생하는 에너지를 메타물질로 대폭 증폭시켜 지속적으로 전기를 공급할 수 있다”고 말했다.

이번 연구결과는 국제학술지 ‘나노에너지’ 3월호에 발표됐다.