한국생산기술연구원

- 송전선 자기장 활용하는 고효율 하베스팅 기술 개발

- 초소형 드론용 자가전원 기술로 발전 계획

□ 한국생산기술연구원(원장 이상목, 이하 생기원)이 송전선에서 발생하는 자기장을 전력으로 전환하는 에너지하베스팅 기술을 개발했다.

ㅇ 생기원 에너지나노그룹 윤승하 수석연구원 연구팀은 송전선 주변에서 발생하는 원형 자기장을 효과적으로 수집할 수 있는 새로운 에너지하베스팅 방식을 구현하는 데 성공했다고 밝혔다.

□ 기술 개발의 핵심은 중앙 고정‧양측 자석 기반의 대칭 진동 구조를 적용한 것이다.

ㅇ 자기장 기반 에너지하베스팅은 자기장의 세기나 방향이 변할 때 피에조(Piezoelectric material)*에 연결된 자석에 작용하는 힘이 달라지고, 그 힘으로 피에조가 휘면서 전기가 생성되는 방식이다.

 * 피에조(Piezoelectric material) : 눌리거나 구부러지는 등 기계적 변형을 받으면 전기가 만들어지는 특성을 가진 소재

ㅇ 피에조는 크게 반복적으로 휘어질수록 전기 생성량이 커지고 출력도 유지되기 때문에 공진 상태에서 충분한 변형이 일어나도록 만드는 것이 중요하다.

ㅇ 자기장 에너지하베스팅 방식은 이 때문에 피에조 한쪽을 고정한 채 다른 한쪽에 자석을 배치하여 외부 자기장에 의해 움직일 수 있도록 설계된다.

□ 연구팀은 이러한 기본 구조에서 더 나아가, 송전선 주변에서 형성되는 원형 형태의 교류 자기장이 자석을 지속적으로 밀고 당긴다는 점에 착안, 피에조가 공진 상태를 유지하며 크게 휘어질 수 있는 대칭 진동 구조의 모듈을 개발했다.

ㅇ 피에조를 중앙에 고정하고 양쪽에 서로 반대 극성을 갖는 영구자석을 배치, 송전선 주변 자기장의 방향이 바뀔 때마다 양측 자석이 같은 방향으로 움직이도록 설계된 에너지하베스팅 모듈이다.

ㅇ 이러한 구조에서는 하나의 자석과 피에조를 이용하는 기존 방식 대비 2배 많은 전기를 생산할 수 있다.

ㅇ 아울러 자석 주변에 자기장을 모아주는 장치(Magnetic Flux Concentrator, MFC)를 배치해 약한 자기장에서도 자석에 전달되는 힘을 높여 피에조 단위 면적당 전력 변환 효율을 20% 이상 향상시키는 성과도 거뒀다.

□ 연구팀은 구조 검증을 위해 헬름홀츠 코일(Helmholtz)을 활용, 송전선 주변과 유사한 조건인 10 Gauss 이하의 자기장 환경을 구현했다.

ㅇ 실험 결과 개발된 하베스터는 송전선 주변 5.4 Gauss 수준의 약한 자기장에서도 25.2 ㎽/㎤ 수준의 전력 확보가 가능한 것으로 나타났다. 

□ 이번 성과는 생기원 대표과제를 통해 수행되어 국내 특허 2건*이 등록됐고, 센서·액추에이터 분야 국제학술지 ‘Sensors and Actuators A: Physical’에 게재됐다**.

 * 1) 10-2738218 자성체를 이용하여 원형의 자기장 내 플레이트를 벤딩시키는 방법 및 이를 이용한 아티팩트, 2) 10-2542444 전력 케이블의 자기장을 이용하는 에너지 하베스팅 장치 및 이를 포함하는 에너지 하베스팅 시스템 

 ** "Energy harvesting with magneto-mechano-electric harvester for AC circular magnetic fields", Sensors & Actuators A, 387, 116422 (2025, IF 4.1 상위 20%)

□ 윤승하 수석연구원은 “송전선 주변에서 발생하는 미약한 자기장도 전력으로 전환할 수 있는 기술”이라고 소개하며, “향후 송전설비 주변 IoT 센서나 초소형 드론처럼 외부 환경에서 충전이 어려운 장치에 적용해 상시 운용가능한 자가 전원기술로 발전시킬 계획”이라고 밝혔다.