1. 서 론

세계적으로 지구온난화, 화석에너지의 고갈, 유가 상승 등의 추세에 따라 신재생에너지의 활용에 대한 관심이 지속적으로 증가하고 있다. 이에 따라 세계 각국은 대표적인 신재생에너지원인 태양열/태양광, 파도, 지열, 풍력, 폐열, 움직임 등을 효율적이고 경제적으로 사용할 수 있는 기술 및 장치의 개발에 심혈을 기울이고 있다^[1].

제안한 저주파 전원발생장치는 외부 동력원으로부터 변환되는 에너지를 웨어러블(wearable)장치 같은 소형 장치에 저장하는 기능을 수행하여 독립된 곳에 전원을 공급할 수 있다. 에너지원은 주변 환경에 다양하게 존재하며 에너지원의 예로는 진동, 풍력, 파력, 열, 압력 등이 있다.

기계적 진동은 생활 속에 풍부하기 때문에 매우 매력적인 에너지원이다. 진동 소스에는 전기 모터 회전, 풍력, 파력, 차량 움직임, 인간 움직임 및 지진 진동이 포함되며 모두 주파수와 진폭이 크게 다르다. 진동 에너지는 전자기 변환과 같은 방법을 사용하여 수집할 수 있으나 수 $\mu W$에서 수 $m W$의 적은 전력을 생산하고 큰 진동을 가졌을 때 효과적이다^[2-4].

압력을 전력으로 변환하는 압전소자(piezoelectric device)는 가스에 불을 붙이는 라이터(lighter)의 예처럼 압력에 의해 발생하는 큰 전압을 이용해 순간적인 전기를 만드는데 주로 사용된다. 즉, 이는 연속적인 전력생산이 곤란하여 변환할 수 있는 에너지의 양이 극히 작다^[5,6].

열전현상을 이용하여 열에너지를 전기에너지로 변환하는 열전소자(thermoelectric device)의 경우 적용온도가 수백도 정도이고 효율이 상당히 낮아서 적용될 수 있는 분야는 극히 제한적이고 경제성이 매우 좋지 않은 상황이다. 열전소자는 고체 재료의 고유특성으로 크게 개선되기는 어려울 것으로 추정되고 있어 앞으로도 적용이 제한적일 것이다^[7,8].

본 연구에서는 그림 1과 같이 태양열, 파도, 폐열, 풍력, 진동 등 주변 환경에서 미활용 되는 에너지를 전기에너지로 바꾸어 주는 새로운 개념의 에너지변환 방법을 제안하고 장치를 개발하려한다. 본 에너지변환 방법은 기존에 전력변환에는 많이 사용되지 않던 자성나노유체(magnetic nanofluid, ferrofluid)를 활용하고자 한다.

자성나노유체의 특징은 액체 속에 나노 자성입자를 콜로이드 모양으로 안정화하고 분산시킨 후 침전 또는 응집이 생기지 않도록 계면활성제를 첨가한 유체이다. 전자기적 성질로는 자성체의 특성인 비투자율(relative permeability)이 4-8 정도의 연자성체 특징을 가지므로 자기회로로 사용이 가능하고 외부에서 자기장이나 중력 등이 가해져도 유체 속 나노입자의 농도가 일정하게 유지된다. 또한 기계적 성질로는 유체이므로 유동성(liquidity)을 가지고 있어 자유로운 형상의 변화를 가져올 수 있고, 외부의 적은 운동에너지를 용이하게 흡수할 수 있다^[9,10].

자성나노유체는 나노입자의 크기와 표면 코팅에 따른 자기적 특성 및 안정성을 달리한다. 생물학적 응용에는 성격이 약물전달시스템(drug delivery system), 자기 유체 초음파 진단((magnetic ultrasound imaging) 및 고온 열치료(hyperthemia therapy) 등에 사용되고 있다. 또한 스피커의 자기적 완화(magnetic damping), 회전기의 마찰감소 및 진동제어, 디스플레이 기술 및 예술 분야에도 활용되고 있다.

자성나노유체를 이용한 전원발생장치는 영구자석을 이용하여 기자력(mmf: magnetomotive force)을 만들고, 영구자석에서 나온 자속(magnetic flux)이 자성나노유체의 유동에 의해 변화가 일어날 경우 패러데이 법칙(Faraday's law)에 의하여 기전력(emf: electromotive force) 이 발생하는 원리이다^[11,12].

그림 1. 에너지 변환 메커니즘 및 자성나노유체의 특성

Fig. 1. Energy conversion mechanism and properties of magnetic nanofluids.

2. 자성나노유체를 이용한 전력 발생 구상

전기회로에서 기전력인 전압원과 같은 역할을 하는 부분이 자기회로에서는 코일의 전류인 기자력 $V_{m}$이며 자로의 길이 $L$에 대하여 다음과 같이 정의된다.

여기서, $H$는 자로에서 자계의 세기이다.

이는 코일에 흐르는 전류가 바로 기자력의 전원이라는 뜻이다. 그리고 철심의 투자율이 주변 재질에 비해 매우 높으면 코일에서 발생되는 자속 $\phi$는 모두 철심을 통하여 흐르므로 마치 전기회로에서의 전류와 같다고 할 수 있다. 그렇다면 전기회로의 전기저항에 해당되는 자기회로의 물리적 성격으로 릴럭턴스(reluctance) $R$을 아래의 식과 같이 정의할 수 있다.

여기서, $\phi$는 자속의 양이고, $S$는 자로의 단면적이다. 따라서 자기회로에서의 소자들 간의 기본적인 관계도 전기회로와 같은 자기회로의 오움의 법칙으로 나타낼 수 있다. 그러므로 전기회로의 기본법칙인 키르히호프의 전류 및 전압법칙(KCL, KVL)도 자기회로에서 같게 적용된다. 다음은 패러데이 법칙으로 특정 자기회로에서 시간에 따른 쇄교자속의 변화가 있으면 기전력이 발생한다는 것이다.

이 관계에서 자성나노유체의 유동을 이용하여 자로의 투자율과 자로의 길이 및 단면적을 변경하여 자속의 변화를 얻고자 한다.

다음은 특정 용기내에서 자성나노유체의 유동에너지를 전기에너지를 변환하는 두 가지 개념을 설명하고자 한다.

첫째로는 그림 2와 같이 파도나 바람 등에 의한 상하 진동에너지를 활용하는 예이다. 먼저 외부의 운동(진동)에너지가 용기에 전달되면 비자성체 구조물과 용기의 상대적 상하운동이 발생하고 이 운동에 의해 자성나노유체는 자기회로의 공극을 채우고 비우는 동작을 반복한다. 자성유체의 움직임에 의해 자기저항이 변화하고 자기저항의 변화에 따라 쇄교자속이 변화하여 코일에 유도기전력이 발생한다.

그림 2. 상하 진동을 이용한 전기에너지의 발생 개념

Fig. 2. Concept of generating electrical energy using up-and-down vibration

그림 3. 자성유체의 슬로싱(sloshing) 현상에 따른 자기저항과 자속의 변화에 의한 전기에너지의 발생 개념

Fig. 3. The concept of generating electric energy by changing magnetic resistance(reluctance) and magnetic flux due to the sloshing phenomenon of nanofluid.

둘째로는 그림 3과 같이 자성나노유체의 슬로싱(sloshing) 현상을 이용하여 전기에너지를 얻는 개념이다. 외부의 운동에너지가 용기에 전달되면 용기내의 자성나노유체가 한쪽으로 쏠리는 현상을 슬로싱이라 한다. 먼저 외부의 좌우진동에 의하여 용기내의 자성유체가 흔들리면 자성나노유체의 위치에 따라 자기회로시스템의 자기저항이 변화한다. 영구자석에 의한 기자력은 일정하므로 자기저항에 반비례하여 쇄교자속의 양이 변화한다. 이는 시간에 따른 쇄교자속의 변화로 코일에 기전력을 발생한다.

3. 전원발생장치의 제작 및 실험 방법

제안한 전력발생 개념 중 기전력 발생효율과 실험적 검증의 용이성을 고려하여 두 번째로 제안한 자성나노유체의 슬로싱현상을 이용한 전원발생장치를 제작하기로 하였다.

자성나노유체를 기반으로 한 전원발생장치의 제작을 위해 자석부, 코일부 및 자성나노유체부의 구체적인 사양을 자기회로를 이용하여 설계하였다. 자기회로에서 철심의 자속포화를 막기 위해 세로의 길이를 20 mm로 설계 하고 다양한 조건으로 실험을 할 수 있도록 각각을 부품으로 만들어 범용성을 늘렸다. 그리고 자성나노유체 컨테이너의 재질은 자계의 영향을 받지 않도록 투명한 아크릴로 구성하였고, 자속의 집속을 위해 자석과 같은 크기의 철심 코어를 제작하였다. 코일은 일반 전동기에 사용되는 에나멜선을 사용하였고, 1,200회를 감아 유도기전력의 상승을 노렸다.

그림 4. 자성나노유체의 슬로싱 현상을 이용한 전원발생장치의 상세

Fig. 4. Details of a power generation device utilizing the sloshing phenomenon of magnetic nanofluids.

그림 5. 자성나노유체의 슬로싱 현상을 이용한 전원발생장치의 실제

Fig. 5. Prototype of a power generation device utilizing the sloshing phenomenon of magnetic nanofluids.

그림 6. 저주파 전원발생장치의 유도전압 측정 실험장치

Fig. 6. Full experimental setup for induced voltage in low frequency power generator using nanofluid.

그림 4와 5는 자성체 코어에 emf 코일을 갖는 전원발생장치의 설계사양과 실제 제작품이다. 제작된 전원발생장치는 기계적 셰이커에 올려 0-300 rpm 범위의 다양한 진동을 주었다. 이 진동은 0-50 Hz 주파수 범위에서 자성나노유체의 운동을 일으킨다. 그림 6은 전원발생장치의 유도기전력을 측정하기 위한 전체 실험장치이다.

기자력 발생을 위하여 사용된 영구자석은 네오디늄 자석으로 잔류자속밀도가 1.17 T, 보자력 860 A/m 이며, 여러 개를 직렬연결하여 기자력을 조정하였다. 자속이 지나가는 자성체 코어는 KS D 3752S45C를 사용하였으며, 자성나노유체는 Ferrotec의 EFH1를 사용하였다. 자성나노유체는 일반적으로 1～2 nm의 계면활성제 층으로 코팅된 직경이 10 nm인 자성체 입자이다. 일반적으로 알려진 자성나노유체는 두 종류가 있으며 표 1에 재료의 물성을 나타내었다. 이러한 값의 대부분은 Elborai와 He가 각자의 논문^[13,14]에 기록된 대로 측정한 결과에서 가져왔다. 첫 번째 강자성 유체인 MSGW11은 수성인 반면 두 번째 강자성 유체인 EFH1은 탄화수소 오일 기반 강자성 유체이다.

자기 회로를 구성하기 위해 강자성 재료의 백 아이언 요크를 사용하여 폐쇄된 자기회로를 구성하였다. 백 아이언 요크는 철심 주위에 600회 감긴 두 개의 권선 그룹으로 구성되었으며, 자석과 emf 코일의 양쪽 주위에 백 아이언 요크를 사용하여 누설 자속을 줄일 수 있었다.

4. 실험 조건 및 결과

전원발생장치의 유도기전력을 측정하기 위하여 자성유체의 양(F1, F2, F3)과 영구자석의 자속밀도(M1, M2, M3)를 변수로 하여 다양한 조합의 실험을 수행하였다. 외부 진동의 범위는 0～300rpm으로 조건을 설정하였다. 표 2에는 저주파 전원발생장치의 실험조건을 나타내었다.

F2-M1 모델의 경우 자성유체의 양을 F1보다 1/2로 늘리고 실험한 결과이다. 자성유체의 양이 너무 많으면 유동이 생기지 않아 기전력이 작게 나타나는 것을 볼 수 있다. 그림 7을 보면 주기적인 파형이긴 하나 정현파보다는 삼각파에 가까운 모습을 나타내고 있다. 여기에서 청색 파형은 실시간 유도기전력의 순시값이고 적색은 주파수 특성을 가시화하기 위한 추세선이다.

그림 7. 다양한 외부 진동에 따른 슬로싱 현상에 의한 유도기전력의 순시값

Fig. 7. Instantaneous values of EMF generated by sloshing motions of nanofluid for several external vibration speeds. (Model : F2 - M1)

자성나노유체 컨테이너의 상하부에 영구자석의 개수를 달리하여 기자력의 변화를 주었다. 그림 8에 세부조건을 나타내었으며 상부 영구자석의 표면에서 자속밀도가 220, 310 및 400 mT 이다.

그림 8. 영구자석의 자속밀도 변화를 위한 3가지 구성

Fig. 8. Three magnet arrangement: Symbols are (a) M1, (b) M2, and M3.

다음은 자성나노유체의 양과 자속밀도의 변화에 따른 실효치를 비교한 결과이다. 그림 9의 (a)를 보면 자성유체의 양이 상대적으로 적어서 120 rpm과 180 rpm에서 변화가 거의 없는 것을 볼 수 있다. 240 rpm에서 300 rpm을 보면 알 수 있듯이 자속의 세기가 낮은 M1이 다른 M2, M3보다 유도기전력이 높다. 이유는 자성유체의 양과 컨테이너의 크기에 비해 자속의 세기가 너무 크기 때문에 낮은 자속에서 유도기전력이 높게 나온다는 것을 알 수 있다. 같은 개념으로 (b)를 보면 M1일 때의 유도기전력이 높게 나오는 것을 볼 수 있고, (c)를 보면 역시나 M1일 경우 높은 유도기전력을 나타내는 것을 볼 수 있다. 이러한 결과를 미루어 볼 때 현재 실험 모델의 자속의 세기가 너무 강하여 유체의 슬로싱 현상을 최대한 발휘할 수 없는 것을 알았다.

그림 9. 영구자석의 자속밀도 변화에 따른 유도기전력의 실효값

Fig. 9. RMS values of the EMF according to magnetic flux density. The ferrofluid volumes are 1/3, 1/2, and 2/3 of the overall container volume, respectively.

전자기시스템에 대한 보다 정밀한 설계와 해석을 위하여 정자장 지배방정식을 이용하여 수치해석을 도입하고자 한다. 그림 10은 유한요소법을 이용하여 전원발생장치의 전자장 수치해석을 수행한 결과이다. 이 자기회로 시스템을 보면 투자율이 높기 때문에 자속이 모두 자성체 코어로 모이는 것을 볼 수 있다. 그리고 자속은 최단 거리로 가려고 하기 때문에 자기회로의 안쪽으로 많은 자속이 집중된다. 그리고 자성나노유체의 비투자율($\mu_{r}$)이 3～4 정도이기 때문에 자속이 자성나노유체에 유동에 따라 변화할 수 있다.

그림 10. 자성나노유체를 활용한 저주파 전원발생장치의 자속분포

Fig. 10. Magnetic flux distribution of a low-frequency power generation device using magnetic nanofluids.

5. 결 론

본 논문에서는 자성나노유체의 슬로싱 현상을 이용하여 작고 낮은 주파수의 진동에서도 적용할 수 있는 자성나노유체 전원발생장치의 제작방법과 유도기전력을 검토하였다. 자성나노유체를 이용하기 위하여 컨테이너를 제작하고 자속을 집중하기 위해 자기회로를 설계하였고 자성유체의 양과 자속밀도 세기의 최적화 하기위해 자성유체의 양과 자석의 개수를 달리하는 실험 방법을 설명하였다. 본 실험은 자성유체의 특성상 자석에 매우 민감하게 반응하여 힘을 받기 때문에 자성나노유체의 양이 너무 많거나 적을 경우 파형이 고조파가 함유되어 일그러지거나 늘어지는 것을 확인하였다. 그리고 진동속도가 낮아지면 유도기전력의 파형에 영향을 미치는 것은 자성나노유체의 양이라는 것을 알 수 있었다. 자성나노유체의 양이 F2모델일 때 정현적인 것으로 보아 자성유체의 양이 적게 되면 일정치 않고 자성유체의 양이 많게 되면 자성나노유체의 변화 폭이 적기 때문에 유도기전력 파형이 늘어지는 것을 확인하였다. 이러한 실험결과를 미루어 봤을 때 자성유체는 낮은 진동속도에서도 충분한 기전력을 생산 할 수 있다는 사실을 확인하였다.

본 논문의 유용성은 낮은 진동속도에서도 충분한 유도기전력을 생산할 수 있는 저주파 전원발생장치를 구현하였다. 자성나노유체를 활용한 전원발생장치를 이용하게 되면 작은 흔들림이 있는 바다 위의 부표 같은 곳, 송전탑이나 교회 십자가 같은 높은 첨탑의 경고 및 송전선의 안전등 같은 작은 전력을 필요로 하는 독립전원에 적용하면 좋을 것이라 사료된다.