에너지 하베스팅(energy harvesting)은 일상생활에서 사용하지 않거나 버려지는 에너지로 전기를 만드는 친환경 기술이다. 태양광과 풍력뿐 아니라 자동차 엔진이나 기차가 지나갈 때 발생하는 진동으로도 전기를 생산하는데, 최근 레고처럼 조립이 가능한 메타물질로 에너지 하베스팅 효율을 높인 흥미로운 연구가 발표됐다.

POSTECH(포항공과대학교) 기계공학과 · 화학공학과 · 전자전기공학과 노준석 교수, 기계공학과 통합과정 이건 씨, 성균관대 신소재공학부 김미소 교수 공동 연구팀은 구조체를 자유롭게 탈부착해 실생활에 응용할 수 있는 조립형 · 다기능 탄성 메타물질 기술을 개발했다. 이번 연구는 재료 분야 국제 학술지 중 하나인 ‘어드밴스드 사이언스(Advanced Science)’에 게재됐다.

메타물질은 빛, 진동, 소리와 같은 파동 에너지의 비자연적 제어를 위해 파장 간의 관계를 이용해 인공적으로 설계된 구조체이다. 에너지 하베스팅에 이를 활용하면 압전 소자에서 탄성파를 모아 전기 생산 효율을 높일 수 있다. 하지만, 메타물질을 구성하는 빔(기둥)에 대한 이론적 분석의 한계로 현재로서는 단일 주파수에서만 작동하고, 특정 목적에만 사용할 수 있어 실제 구조물에 적용하기는 어려웠다.

연구팀은 이번 연구에서 기존 ‘오일러-베느루이(Euler–Bernoulli) 빔 이론’ 대신 ‘티모센코-에렌페스트(Timoshenko–Ehrenfest) 빔 이론’으로 이러한 한계를 극복했다. 이 이론은 기존 이론과 달리 빔의 전단 변형과 회전 관성 영향 등 탄성체 주요 특성을 고려한 이론으로 탄성 메타물질 연구에 이를 적용한 것은 이번이 처음이다.

연구팀은 ‘티모센코-에렌페스트 빔 이론’으로 탄성파 위상 변조를 위한 탄성 메타물질 해석과 모델링에 성공했으며, 여러 구조체를 탈부착할 수 있는 조립형 탄성 메타물질을 제작했다. 이 메타물질은 용도에 따라 표면을 재구성할 수 있어 하나의 기판으로도 비자연적 음굴절과 파동 집중, 경로 지정형 파동 전파, 파동 전반사 등 여러 파동 현상을 광대역 주파수에서 제어할 수 있다.

특히, 연구팀의 조립형 탄성 메타물질은 파동 에너지를 효과적으로 모으는 능력이 우수해 탄성파 에너지로부터 전기 에너지를 생산하는 압전 소자의 전기 출력값을 최대 8배 높여 고성능 압전 에너지 수확 장치로서의 성능도 입증했다.

연구를 이끈 노준석 교수는 “다목적 및 광대역 주파수에서 작동하도록 설계된 조립형 탄성 메타물질이 버려지는 에너지를 수확해 환경을 지키는 에너지 하베스팅 분야를 비롯해 구조 안전성 검사와 무선 센싱, 사물 인터넷 등 다양한 분야에서 이번 연구가 큰 도움이 되기를 바란다”는 기대를 전했다.

한편, 이 연구는 POSCO(포스코) N.EX.T Impact 사업과 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 지원하는 미래유망융합기술파이오니어사업, 미래연구실사업, RLRC지역선도선도연구센터사업 등의 지원으로 수행됐다.