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기술번호
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KST2014063181
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자료제공기관
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미래기술마당
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기술공급기관
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한밭대학교
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기술명
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전동차 승객하중을 이용한 복합재 적용 압전 에너지 하베스팅 시스템 기술개발
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기술개요
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본 발명은 철도, 자동차 등의 지상운송수단에 적용되는 샌드위치 복합재에 전기에너지를 생성하는 압전소자가 장착됨으로써 내부 조명의 전원으로 사용할 수 있는 압전소자를 이용한 에너지 생성 샌드위치 복합재에 관한 것이다.본 발명은 양측에 이격된 외부판재(2)가 배치되고, 상기 외부판재(2)의 내측에 심재(4)가 충진된 샌드위치 복합재에 있어서, 상기 심재(4)의 내부에 삽입된 압전소자(6); 상기 압전소자(6)와 전기적으로 연결되어 생성된 전기에너지를 저장하는 축전부(8)를 포함한다.
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개발상태
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유사환경 테스트
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기술의 우수성
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1) 우리나라는 에너지 자립도가 3% 미만으로 대표적인 자원 빈국으로, 나머지 97%의 에너지를 수입에 의존하고 있음
2) 국제 유가가 배럴당 100 달러에 육박하고 있고 온실가스 배출량은 세계 10 위에 이르고 있지만 우리나라의 경제산업 구조상 화석에너지의 소비를 줄이는 것은 쉽지 않음
3) 따라서 에너지 절약 노력과 함께 환경을 훼손하지 않으면서도 안정적 공급이 가능한(Sustainable) 미래에너지 자원을 확보하기 위해 다양한 노력을 기울여야 할 실정임
4) 에너지 하베스트(Energy harvest) 기술은 주변 환경에서 필요한 에너지를 그대로 활용할 수 있는 새로운 친환경 에너지 활용 기술임
5) 최근 에너지 하베스트 기술은 배터리 전력에 대한 필요성을 줄이거나 아예 대체할 수 있을 것이라 각광받고 있음
6) 특히 IT-NT 및 IT-BT 융합기술의 발달로 의료 분야에서 정보통신에 이르는 다양한 디바이스들이 출현하고 있으나 유한한 에너지 용량의 1차 전지와 유선을 통한 충전형 2차 전지의 성능에 한계가 있음
7) 이에 따라, 환경을 훼손하지 않으면서도 수명이 극대화되어 안정적 공급이 가능한(Sustainable) 미래에너지 자원을 확보하기 위한 에너지 하베스팅 시스템이 필요한 실정임
8) 따라서, 본 발명은 다른 철도차량에 비하여 탑승 승객 중 입석 위주의 승객이 많으며, 역간 간격이 짧아 많은 이동 하중이 발생하게 되기 때문에, 보다 높은 전력을 생산할 수 있는 전동차에 에너지 하베스팅 시스템을 접목하고자 함
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응용분야
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1) 압전 에너지 하베스팅 기술은 무선 센서 네트워크, 구조물 건전성 평가, 자동차 도로, 보행자 도로 등 적용분야가 매우 넓어, 시장의 성장성이 매우 높음
2) 압전 에너지 하베스팅시스템은 철도차량의 다른 부위에도 활용 가능함. 이를테면, 차체와 대차를 연결하는 하부 지지부에 본 시스템을 적용하여, 승객하중과 차체하중이 복합된 높은 압축하중을 이용한 고성능의 압전 에너지 하베스팅이 가능할 것으로 판단됨
3) 압전 에너지 하베스팅시스템을 통해 발생되는 전기에너지는 전동차 실내 광고판 및 전등의 전력원으로 직접 활용이 가능하고, 2차전지에 축전하는 형태로 활용될 수 있어 에너지 절감효과를 달성할 수 있음
4) 철도차량과 같이 샌드위치 복합재 구조를 갖는 차체에 직접 적용이 가능하여, 별도의 에너지 발전 시스템을 구축할 필요 없이 간단한 개보수만을 통해서 본 시스템을 적용할 수 있음
5) 따라서, 본 발명은 다양한 종류의 압전소자와 다양한 분야에 융복합적으로 활용 가능함
6) 압전소자의 주요 응용 분야는 자동차용, 의료용, 산업용 등 다양하게 분류가 가능하고, 최근에는 레저용(스포츠 용품 등), 가구용 등 다양한 분야로 확대되고 있음
7) 항공기의 표면 압력분포 측정, 동적 상태에서 발바닥의 압력 분포 실시간 측정, 전투기 비상탈출 시 사출의자의 압력분포 측정, 침대에서 잠자리 신체 압력분포 실시간 측정 등
8) 진동이 존재하며 접근이 용이하지 않은 곳에 위치한 센서의 구동전력원으로 사용가능
9) 모바일 폰의 밧데리가 방전되었을 경우 긴급한 통화 또는 문자전송을 위한 응급전력원으로 사용가능
10) 자동차에서 발생하는 진동에너지를 이용하여 타이어 압력조절장치인 TPMS의 전력원으로 사용가능
11) 바람 및 차량의 주행에 의한 교량진동으로 발생하는 진동에너지를 전기에너지로 변환 저장하여 야간 조명장치의 전력원으로 사용가능
12) 미소 전력을 필요로 하는 센서로부터 자동차 교량의 비상전력으로까지 적용가능(단, 대전력의 경우 저장회로가 필요함)
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시장규모 및 동향
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1. 해외 시장동향
1) 시장조사 전문기업인 IDTechEx에 따르면 에너지 하베스팅 응용기기 시장규모가 38%의 CAGR을 보이며 2018년 1억4,500만 달러까지 확대될 것으로 전망하였으며, 특히 열전소자분야의 시장규모는 2억3,600만 달러로 예상하였음
2) BCC Research에 따르면 세계 에너지수확기술(Energy Harvesting) 시장은 2011년 3억 2,300만 달러, 2017년까지 43.2%의 연평균 복합 성장률(CAGR)로 성장해 31억 달러에 달할 것으로 전망함
3) 환경문제에 대한 경각심과 더불어 저전력 설계기술의 발전과 스마트폰과 같은 이동식 전자기기의 급속한 보급으로 대규모 발전이 아닌 소규모 분산전력의 수요가 늘고 있는 추세임
2. 국내 시장동향
1) 국내 압전 에너지 하베스팅 시스템의 개발은 초기 단계 상태이며, 압전소자에 관한 연구가 활발히 이루어지는 반면에, 이를 적용할 수 있는 시스템에 대한 모색은 활발히 이루어지고 있지 못한 실정임
2) 전원으로서의 에너지 하베스팅은 얼마 전에 유행한 ‘유비쿼터스 사회’, 그리고 최근에 주목받고 있는 ‘Internet of Things’를 실현하는 데 있어 필수적인 기술이며, 10년, 20년 후에는 생활의 모든 현장에서 사용될 것으로 예측되고 있음
3) 작고 강력한 휴대용 전자기기의 출현으로 누구나 장소나 시간에 구애받지 않고 자유롭게 정보에 접속하고 무선 통신을 할 수 있게 됨에 따라 웨어러블 컴퓨팅 등의 가동을 위한 외부 전력 공급을 위해 저전력 에너지원 수확에 대한 니즈는 무한히 확대될 것으로 예상되고 있음
4) 우리나라는 에너지 수입국으로서 에너지의 절약 및 합리적 사용이라는 실제적인 필요성 이외에 지구 환경보전을 위한 이산화탄소 배출제한 등 국제적인 환경규제에 적극 대응하기 위한 첨단 미개척 기술 분야로 향후 기술우위의 확보를 위하여 더욱 많은 관심을 가져야 함
5) 압전을 이용한 에너지 하베스팅의 경우 소자의 사이즈에 따라서 크게 Macro scale의 압전 에너지 발전과, Micro scale의 압전 에너지 발전으로 나누어 볼 수 있으며, Macro scale 압전 발전의 경우 사람의 움직임이나 자동차의 진동 등과 같이 큰 움직임이나 진동으로부터 에너지를 발전하고 충전을 통해 보조 전원이나 대용량 발전에 적용하는 기술임
6) 현재 위 기술은 주로 센서, 모바일폰 및 자동차TPMS(Tire Pressure Monitoring System : 타이어 공기압경보장치) 실장용 시작품으로 테스트 중이며, 세계적으로도 선진 일부 국가에서 실장 test 단계에 있음
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희망거래유형
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사업화적용실적
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도입시고려사항
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