진동에너지

진동에너지(vibration energy)는 진동을 발생하고 있는 물체가 보유하고 있는 에너지를 말한다. 운동 에너지와 변형 에너지의 합으로서 나타내어진다.

우리가 보는 만물은 만져지는 실체이고 작은 입자의 모임이지만 그 입자를 쪼개고 쪼개서 미시세계로 들어가 보면 놀랍게도 입자는 사라지고 진동하는 에너지만 남는다. 이것은 20세기 과학의 새로운 영역인 양자역학이 발전하면서 밝혀졌다. 양자역학에 의해 우리는 모든 만물의 본질이 파동이라는 것을 알게 되었다. 우주 만물은 진동하는 에너지이며 우리가 들을 수 있거나 들을 수 없는 아름다운 파동의 소리를 내고 있다. 이러한 파동의 원리는 '파동의학'이나 '동종요법' 그리고 '음악치료(Music therapy)' 등의 다양한 방면에 활용되고 있다.

진동하고 있는 모든 만물은 각각 고유의 진동수 파동을 지니고 있다. 만물의 고유한 특성은 바로 이 진동의 차이에서 비롯된다. 사람도 제각기 고유한 진동을 가지고 있으며 인체도 진동하는 에너지의 집합인 셈이다. 인체의 장기인 심장이나 간 등도 고유의 파동을 가지고 있고 뇌도 감정 상태에 따라 다양한 파동을 나타낸다.

에너지 하베스팅

에너지 하베스터의 구조 (위) 자가 튜닝 에너지 하베스터의 특성을 보여주는 그래프 (아래) (한국과학기술연구원 제공)

에너지 수확 기술이라 불리우는 에너지 하베스팅이란 일상에서 버려지거나 새어 나오는 진동, 열과 같은 에너지를 흡수해 전기 에너지로 재활용하는 자가발전 기술을 말한다. 이러한 에너지 하베스팅은 배터리나 전원선 없이 주변 에너지로 자가발전하는 '소자'를 가능하게 해준다. 특히 사물인터넷과 같이 무선으로 동작하는 전기기기에서 배터리 대신 독립 전원으로 유용하게 활용할 수 있다. 열, 압력 외에 자동차·기차·산업현장에서 발생하는 진동 또한 에너지 하베스팅 기술로 전기에너지를 생산할 수 있다. 효율을 높이기 위해서는 작은 진동으로부터 최대한의 전기에너지를 생산해 저장해야 한다. 이를 위해 '공진'(Resonance) 현상을 활용할 수 있다.

공진(Resonance)이란, 물체의 고유진동수와 외부에서 가해지는 진동수가 일치하게 될 때 크게 흔들리는 현상을 말한다. 이 세상이 모든 물체는 고유 진동수를 갖고 진동하고 있는데, 그 진동수에 해당하는 전파나 파동을 흡수하는 성질을 갖고 있다. 일반적으로 진원지에서 멀어질수록 진동이 약해지지만, 공진현상이 일어나면 진원지에서 멀어질수록 진동이 강해지는 것이 특징이다. 고음의 노랫소리에 유리잔이 깨지는 것도 유리잔의 진동수와 노랫소리의 진동수가 일치하며 강력한 힘이 발생하는 공진현상에 의한 것이다.

자동공진 튜닝 에너지 하세스터

우리 주변의 진동들은 모두 다른 성질과 부피에 따라 각각 다른 범위의 진동수를 갖고 있다. 그러나 기존의 에너지 하베스터는 하나의 고유한 진동수를 가지고 있었기에 설치할 때마다 고유 진동수를 환경에 맞게 튜닝하여 공진을 유도해야 한다는 불편함이 있었다. 이를 해결하기 위해 국내 연구진들은 진동수를 맞추기 위한 전기장치 없이도 주변 진동수에 스스로 튜닝될 수 있는 특별한 구조로 되어 있는 '자동 공진 튜닝 에너지 하베스터'를 개발했다.

'자가 공진 튜닝 에너지 하베스터' 내부에는 자율적으로 움직이는 추를 부착되어 있는데, 추가 주변의 진동을 감지하면 스스로 다른 위치로 이동하여 에너지 하베스터로 하여금 외부환경의 진동과 같은 진동수를 맞추는 것이다. 이러한 자가 공진 튜닝 에너지 하베스터는 다양한 진동과 공진할 수 있게 되면서, 기존의 하나의 고유진동수를 가지는 소자보다 공진할 수 있는 주파수 대역을 1400%이상 향상시키는 결과를 얻었다.

참고자료

• 〈진동 에너지〉, 《토목용어사전》
• 이제염오, 〈우주 만물은 진동하는 에너지〉, 《네이버 블로그》, 2021-06-10
• 김승준 기자, 〈알아서 효율 높이는 똑똑한 '진동 에너지 수확' 기술 개발〉, 《뉴스1》, 2020-09-01
• 한국전기안전공사, 〈생활 속에서 일어나는 진동으로 전기를 생산한다.〉, 《네이버 블로그》, 2020-11-12

같이 보기

• 운동에너지
• 변형에너지
• 공진

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