신기술: 주변의 자기장으로 전기생산 "LED, 시계, 그리고 센서 구동 가능"

문광주 기자 / 기사승인 : 2020-04-03 13:10:16
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표류 자기장은 건물에서 모든 곳에 존재하지만 진폭이 낮고 고정 주파수는 50~60Hz 이다.
하나는 전력선의 교류에 의해 생성된 자기장은 급속한 교대로 극성을 변화시키기 때문에 재료가 진동한다. 두 번째 구성 요소는 기계적 운동 및 그에 따른 진동을 전류로 변환하는 압전 재료.
유비쿼터스 표류 자기장의 사용은 센서, 스마트 하우스의 제어 시스템 및 기타 소형 전자 장치에 전기를 공급하는 완전히 새로운 방법이다.

미니 컨버터는 생활 주변의 미니 자기장을 이용 전기를 생산한다.

우리 주변에 있는 전기 :
모든 전기 장치 및 도체는 주위에 약한 자기장을 생성하며 전기를 생성하는 데 사용될 수 있다. 미국 연구원들이 우리 생활 환경의 약한 자기장을 사용 가능한 전기로 변환하는 기술을 개발했다. 과학자들은 이 미니 컨버터들 중 하나에 의해 생성된 전류는 수백 개의 LED, 시계 또는 센서를 구동하기에 충분하다.

▲ 모든 전류 도체 및 전기 장치는 표류 자기장을 생성한다. 자기 기계 변환기가 이 자기장을 사용해 전기로 변환한다.

© Kai Wang


물리학자 제임스 클러크 맥스웰(James Clerk Maxwell)은 19세기 초에 전기와 자기가 서로 연관되어 있음을 인식했다. 그 이후로 전류가 자기장을 생성한다는 것이 분명해졌다.
예를 들어 전자석에서 실제로 사용된다. 반대로, 예를 들어 발전기를 사용하여 자기장으로부터 전기 에너지를 얻을 수 있다. 그러나, 현재의 방법은 자기장의 특정 최소 강도를 요구한다.

약하지만 어디에나 존재

우리의 일상생활에는 전자기장이 존재한다. 모든 전력선, 모든 소켓 및 전기 장치는 그 근처에 약한 자기장을 생성한다. 펜실베니아 주립 대학의 연구책임자 샤생크 프리야(Shashank Priya)는 “우리는 가정, 사무실 및 자동차에 이 유비쿼터스 에너지를 보유하고 있다. 이것은 어디에나 있으며 이제 이 '주변 표류 자기파'를 사용해 실제 사용 가능한 전기로 변환할 수 있는 가능성을 갖게 됐다."고 설명했다.

Priya와 그의 팀은 “이러한 표류 자기장은 건물에서 모든 곳에 존재하지만 진폭이 낮고 고정 주파수는 50~60Hz 이다.”고 설명했다. 이러한 약한 자기장을 전기로 변환하려면 자기 기계식 변환기가 필요하다. 연구원들이 그러한 장치를 개발했으며 그 작동 원리는 놀랍도록 간단하다.

자성은 기계 에너지가 되고 전기가 된다

특히, 자기 기계식 변환기(컨버터)는 두 가지 재료의 조합으로 구성된다.
그중 하나는 자기장의 존재에 반응하는 *자기변형(Magnetostriktion)이다.
전력선의 교류에 의해 생성된 자기장은 급속한 교대로 극성을 변화시키기 때문에 재료가 진동한다. 두 번째 구성 요소는 기계적 운동 및 그에 따른 진동을 전류로 변환하는 압전 재료이다.
*자기 변형 [磁氣變形, magnetostriction, Magnetostriktion]
자성체의 자화에 의해 일어나는 모양의 변화. 상자성체 및 반자성체에서도 매우 큰 자기장에서는 다소의 자기 변형이 일어나는데 보통은 강자성체만 관측된다.


두 재료는 약 6cm 길이 종이 두께 띠로 서로 결합돼 있다.
한쪽 끝은 케이블, 장치 또는 전기 장치 근처의 단단한 물체에 연결되고 다른 쪽 끝은 자유롭게 스윙한다. 이 자유롭게 진동하는 단에 부착된 추가 자석은 진동을 증가시켜 전류 수율을 증가시킨다.

프리야는 “좋은 점은 알려진 재료를 사용하지만 자기장을 전류로 변환하는 방식을 최대한 활용하는 것”이라고 설명했다. "이로 인해 진폭이 낮은 자기장에서도 높은 전류 밀도를 얻을 수 있다."

▲ 강철구 옆에 자화된 바늘이 공중에 떠 있다.


시계, LED 및 센서에 충분

하지만 이 변환기는 얼마나 많은 전기를 생산할 수 있을까?
첫 번째 테스트에서, 자기 기계 변환기는 300 마이크로 테슬라 미만의 자기장에서도 밀리와트(mW) 범위의 출력을 만들었다. 이러한 자기장 세기는 예를 들어 컨버터가 작동하는 전기 장치에 직접 부착되는 경우에 달성된다. 전력선이나 장치에서 가까운 거리에서 발생하는 자기장과 같은 약한 자기장도 여전히 사용할 수 있다.

연구원들은 “50 마이크로 테슬라 미만의 매우 약한 자기장을 가진 수율은 수백 개의 LED를 공급하거나 디지털 시계를 구동하기에 충분하다. 이 성과는 과학자들이 전기 가열로에서 변환기를 10~20cm 덜어져 설치했을 때 달성되었다. 프리야와 그의 팀은 전체적으로 전기 생산량이 이 유형의 기존 기술보다 400% 높다고 말했다.

다목적 애플리케이션-스마트 홈에서도

연구원들에 따르면, 유비쿼터스 표류 자기장의 사용은 센서, 스마트 하우스의 제어 시스템 및 기타 소형 전자 장치에 전기를 공급하는 완전히 새로운 방법을 열어준다.
프리야의 동료 강민규는 “이 기술은 통합 센서 및 무선 통신 시스템에 지속 가능한 에너지를 제공하는 데 있어 상당한 발전이다.”고 말했다.

Energy & Environmental Science, 2020; doi: 10.1039/C9EE03902C
출처 : Pennsylvania State University

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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