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2018-08 07

[학술][우수R&D] 성태현 교수(전기생체공학부)

정부의 탈원전 정책으로 신재생 에너지 개발의 필요성이 커지고 있다. 인류가 직면한 미래 에너지 문제를 해결할 방법으로 에너지 하베스팅(Energy harvesting)이 주목받고 있다. ‘에너지 하베스팅’은 말 그대로 에너지를 수확하는 기술이다. 주변에서 버려지는 열이나 빛, 압력 등 다양한 에너지를 수집해 전기 에너지로 변환할 수 있다. 한양대 성태현 교수(전기생체공학부)가 소모되는 에너지 양이 많은 산업현장에 이를 적용하기로 했다. 에너지 하베스팅, 한양에 씨앗을 심다 사라지는 에너지를 재사용 할 수 있다면? 영국 케임브리지 대학 연구 결과에 따르면 발전소에 만들어진 전기에너지 중 12%만이 유용하게 사용된다. 버려지는 에너지를 수확할 수 있다면 기존의 발전시설로도 몇 배의 전기에너지를 만들 수 있다. 우리들의 일상에도 편리함을 줄 것이다. 휴대전화에서 발생하는 전파의 3%만 온전히 사용되고, 97%는 공중에 버려진다. 버려지는 전파만 따로 모아 활용할 수 있다면 따로 충전할 필요가 없다고 한다. ▲ 성태현 교수(전기생체공학부)는 에너지 하베스팅 기술을 통해 산업현장에서 버려지고 있는 에너지들을 전기에너지로 변환하여 센서들의 독립된 전원으로 사용하고자 했다. 지난 15년 7월 설립된 한양대 에너지하베스팅센터 '시드 센터(이하 SEED Center)' (지난 기사 보기- 더 풍요로운 세상을 위한 씨앗)는 분산된 에너지 하베스팅 기술을 집약해 세계적 연구 거점센터로 자리 잡기 위해 노력 중이다. ‘SEED Center’는 ‘Save Earth by Energy-harvesting Dream Center’의 줄임말이다. 에너지 하베스팅 기술을 통해 많은 에너지를 생산하는 ‘풍요로운 세상’, 소외된 계층도 기술에 쉽게 다가갈 수 있는 ‘따뜻한 세상’, 친환경 에너지를 통한 ‘깨끗한 세상’을 꿈꾼다. SEED Center, 산업현장에서 발아 중 성 교수를 중심으로 뭉친 SEED Center는 산업현장에서 버려지고 있는 진동에너지와 형광등의 빛 에너지를 전기에너지로 변환해 센서들의 독립된 전류 원천으로 사용하는 기술을 개발 중이다. 산업현장에는 다양한 사물인터넷 센서(이하 IoT 센서)들이 있다. 대부분 유선으로 전력을 공급받고 있어 설치 장소가 제한적이다. 건전지 사용 문제도 있다. 잦은 교체로 인해 번거로울 뿐 아니라 시기가 정확하지 않아 불편하다. 무엇보다 폐건전지는 환경오염을 야기한다. 센서의 독립전원 원천으로 사용되는 에너지 하베스터가 만들어진다면 다양한 장소에 IoT 센서를 활용한 제품이 들어설 수 있다. 긴 수명으로 건전지 교체를 고민하지 않아도 되며 환경도 보호할 수 있다. 경제적 이점도 크다. 성 교수는 “산업현장에서 사용되고 있는 IoT 센서의 경우 센서 비용보다 센서에 전원을 연결하는 시설 공사가 전 비용의 60~80%까지 차지하고 있다”며 “생산단가를 크게 절감할 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다. ▲ 기존 산업환경보다 진동이 현저히 저감된 저진동/무진동 환경을 요구하는 스마트 팩토리의 모습. 시드 센터(SEED Center)는 장비 진동이 아닌 유도된 자기장에 의한 진동을 활용하는 방법을 찾았다. (성태현 교수 제공) 최근 산업현장의 변화로 연구 진행에 곤란을 겪기도 했다. 정밀한 작업을 위해 공장이 점점 장비의 진동을 극단적으로 감소하고 있기 때문이다. 진동이 줄면 압전 하베스터를 적용하기 어려워진다. SEED Center는 현장을 깊게 이해하는 방식으로 문제를 해결했다. 근로자들과의 대화를 통한 공감으로부터 시작했다. 성 교수는 “결국 기계적 진동이 아닌 교류의 전기를 사용함으로써 발생하는 자기장의 변화에 따른 진동을 유도했다”고 말했다. 달콤한 열매를 기다리며 SEED Center의 에너지 하베스팅 기술은 세계 최고 수준이다. 특히 진동에너지를 전기에너지로 변환하는데 효과적인 압전에너지 하베스트 기술이 탁월하다. 성 교수는 “한양대는 기존 세계 최곳값인 0.58 mW/cm2(상하이 교통대)의 16배에 해당하는 9.38 mW/cm2 의 기록을 보유하고 있으며, 본 연구를 통해 12 mW/cm2를 달성하려고 한다”고 포부를 밝혔다. 한양대가 에너지 하베스팅 기술분야에서 선도적 역할을 수행할 것으로 기대된다. ▲ 현재 성태현 교수의 시드 센터(SEED Center) 에너지 하베스팅 기술은 세계 최고의 수준이다. 성 교수는 본 연구를 통해 한양대학교가 4차 산업혁명에서 선도적인 역할을 수행할 것이라 자부했다. 아직 에너지 하베스터로부터 오는 전력량이 많지 않다. 그러나 에디슨이 전구를 처음 발명했을 때 그 밝기가 너무 낮아 전구가 켜 있는지 꺼져 있는지 구별하기 어려웠다고 한다. 라이트 형제 또한 처음 비행에 성공했을 때 겨우 12초 동안 36.5 m를 날 수 있었다. 성 교수는 “장기적으로 대용량 발전에 대한 계획이 있다"며 "효율을 더욱 높이고 흩어져 있는 에너지들을 모으는 기술개발이 지속된다면 머지 않아 새로운 에너지 시대를 열어갈 수 있을 것이라고 확신한다”고 했다. 글/ 유승현 기자 dbtmdgus9543@hanyang.ac.kr 사진/ 최민주 기자 lovelymin32@hanyang.ac.kr

2016-01 05

[학술][이달의 연구자] 인공 근육, 에너지 하베스팅의 장을 열다

대체 에너지는 유행을 넘어섰다. 개발 단계를 지나 상용화 단계에 이르렀고, 이미 우리 생활 깊숙이 자리잡고 있기도 하다. 태양빛을 이용한 태양광 에너지, 바람을 이용한 풍력 에너지, 파도를 이용한 파력 에너지, 그리고 조수를 이용한 조력 에너지까지. 이제는 무궁무진한 방법으로 전기를 만든다. 이제 낚싯줄로 인공근육을 만들어 전기를 생산한다면 어떨까. 그 방법을 고안한 주인공, 김선정 교수(공과대 생체공학과)다. 나일론 실로 만드는 전기 에너지 ▲ 지난 24일 인터뷰에서 김선정 교수는 인공근육 이 온도의 영향으로 전기 에너지를 생산하는 방법 을 설명했다. 환경 오염의 주범으로 꼽히는 화석 연료의 시대가 막을 내리고 있다. 바야흐로 고효율, 친환경의 새로운 에너지 시대. 화석 연료의 뒤를 잇는 에너지 생산 방법으로는 ‘에너지 하베스팅(Energy Harvesting)’이 대세다. 태양광, 열, 풍력 등과 같이 자연에서 발생하는 에너지를 전기 에너지로 전환, 수확하는 기술을 일컫는 말이다. 일상 속에서 버려지기 쉬운, 작은 에너지들을 모아 전기 에너지로 변환시키는 에너지 하베스팅은 신재생 에너지 생산 기술로 각광받고 있다. 김 교수는 ‘나일론 실’을 이용한 에너지 하베스팅을 연구했다. 김 교수의 논문 ‘온도 변화에 의해 움직이는 인공근육의 전기 에너지 생성(Harvesting temperature fluctuations as electrical energy using torsional and tensile polymer muscles)’은 인공근육이 공기의 대류에 의해 움직일 때, 이 근육의 운동 에너지를 전기로 바꾸는 기술을 담았다. 김 교수는 낚싯줄 등에 쓰이는 나일론 실을 수천 번씩 꼬아 다양한 굵기의 근섬유를 만들고, 이들을 하나로 묶거나 직물로 짜냈다. 이렇게 만든 인공근육(Artificial Muscles)은 자연 근육보다 100배 강한 힘을 낸다. 다음으로 영향을 미치는 건 공기의 대류, 즉 ‘바람’이다. 차가운 공기는 아래로, 따뜻한 공기는 위로 가는 대류 현상이 인공근육을 움직인다. 여기에 안쪽 마그네틱, 바깥쪽은 코일로 된 모터를 더해, 전자기장의 원리에 따라 에너지를 생산한다. 인공근육의 운동 에너지(Kinetic Energy)를 전기 에너지로 변환시킨다는 김 교수의 연구는 세계적인 과학 저널 ‘사이언스(Science, 2014)' 지에 실려 연구의 효용성을 인정 받았다. 비교적 간단한 두 가지 원리, 공기의 대류와 자기장을 이용해 김 교수는 대체 에너지의 새로운 장을 열게 됐다. 김 교수는 나일론 실을 통한 에너지 하베스팅이 상용화될 가능성에 대해 말했다. “가정용 에너지 생산 기구를 창가에 올려두고 살랑살랑 부는 바람에도 기구가 반응하면 정말 좋겠죠. 바람은 모으지 않으면 버려지는 자원인데, 기구를 통해 바람의 힘을 유용하게 사용할 수 있을 테니까요.” 하지만 현재까지 개발된 나일론 인공근육은 섭씨 60도 이상의 높은 온도에서만 작동한다. 저온에서도 가동되는 에너지를 개발해야 상용화 가능성이 높아진다는 것이 김 교수의 설명이다. 낮은 온도에도 감응하여 스스로 전기를 생산할 수 있는 자가구동체(Self-powered Actuator)를 만드는 것이 현재 김 교수의 바람이자 과제다. ▲ 온도 변화의 영향으로 전기를 생산하는 인공근육 (출처 : 김선정 교수) 9년 연구의 시작은 생체모방공학에서 ▲ 나일론 인공근육이 꼬아지는 모습 (출처 : 김선정 교수) 김 교수는 지난 2006년부터 창의연구단(생체인공근육연구단) 국책과제를 수행하면서 인공근육 연구를 시작해 올해로 9년 차에 접어들었다. 김 교수는 ‘생체모방공학’을 전공하며 인공근육 연구에 푹 빠졌다. 현존하는 생물체와 자연의 구조에 영감을 받아, 이를 공학 기술에 접목하는 학문이다. “생태계에서는 진화한 생물체만 살아남고 열등한 나머지는 도태돼 버려요. 결국 현재 살아있는 생물체가 자연에 최적으로 진화된 구조를 가지고 있다는 뜻입니다. 가장 똑똑한 구조라는 거죠. 그 구조와 기능에서 영감을 받는 학문입니다.” 김 교수는 생체모방공학이 지향하는 모방은 ‘베낀다(Copy)’는 의미보다, ‘영감을 받는다(Inspired)’에 가깝다고 강조했다. 로봇은 사람의 근육 구조와 동작에 영감을 받아 만들어진 기계다. 김 교수가 몰두하는 인공근육은 로봇의 운동에 쓰이는 전기 모터 대신 사용될 수 있다. 의학 영역에서는 미래에 실제 근육을 보완하고, 대체할 가능성도 있다. 특히 나일론 인공근육은 저렴한 비용으로 쉽게 대량 생산이 가능하기 때문에 다양한 산업분야에서 사용될 수 있다. 나일론 인공근육은 기존에 동일한 역할을 했던 형상기억합금에 비해 약 640배 싼 가격을 자랑한다. 인공근육이 형상기억합금보다 무게당 5배 더 큰 전기 에너지를 만든다는 사실로 볼 때, 김 교수의 연구는 괄목할 만한 성과다. 연구자의 자세는 도전 김 교수에게 연구 철학을 물었다. 김 교수는 망설임 없이 ‘도전’이라고 답했다. “연구는 기존의 것에 안주하는 것이 아니라 항상 새로운 것을 찾아 도전해야 합니다. 창의적인 사고를 추구해야 가치 있는 연구를 할 수 있습니다.” 생체공학과에서 학부생들을 가르치는 동시에 끊임 없는 연구성과로 한양의 이름을 드높이고 있는 김 교수. ‘도전’은 누구보다 그에게 가장 잘 어울리는 단어다. 창의력과 도전 정신을 요구하는 이 시대에, 김 교수는 현재보다 미래가 더 기대되는 연구자다. ▲ 한양의 이름을 드높이고 있는 김선정 교수는 현재보다 미래가 더 기대되는 연구자다. 박윤정 기자 dbswjd602@hanyang.ac.kr 이 기자의 다른 기사 보기 사진/조유미 기자 lovelym2@hanyang.ac.kr