사물인터넷(Internet of Thing, IoT)기술은 4차 산업혁명에서의 핵심요소 중 하나인데, 각종 사물에 무선으로 동작하는 센서를 부착하여 다양한 정보를 모니터링 하거나 기기 등을 제어하는 역할을 하고 있다. 사물인터넷 기기의 전원 공급을 위해 많은 경우 배터리가 사용되지만 제한적인 용량 때문에 주기적인 교체가 필요하다. 하지만 매우 많은 수의 센서들이 존재하고 사람이 접근하기 어려운 공간에 장착되는 경우도 많아 향후 유지/보수에 큰 비용 및 인력이 소모될 수 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 태양광 발전 등의 다양한 에너지 하베스팅 기술들이 현재 연구되고 있으며, 자연환경 및 우리 주변에서 버려지는 에너지원을 이용하여 전기 에너지를 생산하고 배터리를 충전하거나 대체하려고 한다. 특히 자기-전기 복합체는 버려지는 교류 자기장 분위기에서 전기 에너지 생성이 가능한 장점이 있다. 전선은 발전소에서 생성된 전기에너지를 적재적소에 60 Hz의 교류형태로 전송하기위해 매우 다양한 곳에 설치되어 있는데, 암페어의 법칙(Ampere's law)에 의해 전선주변에는 필연적으로 미세한 교류 자기장이 발생한다. 교류 자기장이 발생하는 전선주변에 자기-전기변환 복합체를 설치하면 버려지는 교류 자기장으로 쓸모 있는 전기에너지 수확이 가능하다. 특히 자기-전기변환은 전력의 송배전 분야에서 널리 쓰일 수 있는데, 송배전 관련 선로는 전 국토에 걸쳐 고르게 분포되어 있고 비교적 큰 교류 자기장을 발생시켜 자기-전기 복합체를 이용하면 충분한 에너지 발전이 가능하다.⁶⁾ 만약 송배전 선로에 문제가 생

기면 정전이나 대형 화재 등을 유발하여 사회/경제적으로 큰 손실을 가져올 수 있기 때문에 IoT 센서 등을 이용한 송배전 선로 건전성의 실시간 감지 필요성이 높아지고 있다. 최근에 개발되고 있는 자기-전기 층상 복합체 기반 에너지 발전소자의 경우 자왜재료 및 압전재료 외에도 그림 5에서 보이는 것처럼 자기장에서 자기력을 발생하여 압전체의 변형을 더욱더 크게 만드는 자석 질량체를 도입하였는데, 이러한 구조로 말미암아 수 mW 의 전력을 발생시킬 수 있어 다양한 저전력 IoT 센서의 구동이 가능하다. 향후 지속적인 연구를 통해 자기-전기 복합체 기반 에너지 발전소자에서 발생하는 전력의 크기를 100 mW 수준으로 향상할 수 있으면 다기능 사물인터넷 센서를 실시간으로 구동하는 등 보다 광범위한 분야에서 효과적으로 시설물의 진단 및 감시를 제공할 것이다.

미세 자기장 감지는 바다속의 잠수함 등을 감지하는 군사분야 및 생체의 자기장을 감지하는 의료분야에 대표적으로 쓰이고 있다. 특히 살아있는 생명체는 생명유지를 위해 세포막을 통해 다양한 이온들을 끊임없이 교환하는데, 이때 암페어의 법칙에 의해 매우 미세한 자기장을 만들어 낸다. 이러한 생체에서 발생하는 미세 자기장을 측정하면 질병의 진단 및 예측이 가능한데, 대표적으로 심장 및 뇌와 관련된 질병 및 이상징후를 파악할 수 있고 관련 연구분야에도 응용할 수 있다. 인체에서의 미세자기장은 부위에 따라 뇌신경세포, 심장근육 세포, 척수신경세포 등에서 발생하며, 세포 집단의 부위별 부피에 의해 발생하는 자기장의 크기가 달라지는데 척수에서는 약 10 fT, 뇌에서는 약 100 fT, 심장에서는 약 10 pT 수준의 초미세 자기장이 발생한다. 이는 지구에서 발생되는 지구 자기장의 크기인 50 µT와 비교했을 때 매우 작은 수치임을 알 수 있다. 지난 수십년간 미세 자기장을 감지하기 위해 다양한 방법들이 사용되었으며 기술적으로도 많은 발전이 이루어졌다. 미세 자기장의 검출방법 중 현존하는 최고의 감도를 나타내는 방법은 초전도 양자간섭장치(superconducting quantum interference device; SQUID)인데, 이는 조셉슨(Josephson)효과를 기반으로 0.1 fT 수준의 초미세 자기장도 감지 가능하다. 하지만 SQUID의 경우 액체 헬륨을 이용한 극저온의 냉각이 필요하여 전체 시스템의 부피가 큰 편이고, 초기 구입 및 유지하기 위해 많은 비용이 들어가는 단점이 있다. 이러한 SQUID의 단점에서 기인하여 자기-전기변환 층상 복합체를 이용한 미세 자기장 감지에 관한 연구가 진행되고 있는데, 자기-전기 복합체는 SQUID의 단점을 가지고 있지 않으면서 고민감도, 작은 부피, 저비용 구현의 장점을 가지고 있다. 현재까지 개발된 자기-전기 복합체 기반의 자기장 센서는 다양한 연구적 시도를 통해 성능을 점차 개선시켜 나가고 있고(그림 6), 현재에는 1 pT이하의 매우 미세한자기장을 감지할 수 있기 때문에 미래에는 생체신호 및 다양한 분야에서 미세 자기장을 감지하는 소자로써 활용이 가능 할 것이다.⁷⁾

2020년 중국 북경대 연구팀은 자왜-압전 층상복합체에서 세계 최고의 자기-전기 변환계수인 12,500 V/cm·Oe 달성에 성공하였다.⁸⁾ Metglas라고 불리는 FeBSi 합금 호일은 우수한 자왜재료로 층상형 자기-전기 복합체 제조에 널리 쓰이고 있다. 비정질 상태의 Metglas 호일은 상태 투자율이 수만에 달하는 매우 높은 값을 가지고 있어 자기장 집중효과를 통해 내부에 높은 자속밀도를 유발하며 우수한 자기-전기변환 특성을 보여줄 수 있다. 연구팀은 Metglas에 레이저를 이용해 표면 부분만 열처리를 진행하여 표면 결정화를 진행하였다. 비정질의 Metglas 표면을 레이저를 이용해 열처리하면 그림 7(a)와 같이 Metglas 리본의 폭 방향으로 자기 도메인이 정렬된다는 가정을 세웠다. 비정질 Metglas의 경우 폭 방향으로 비교적 무작위의 자기 도메인 방향을 가지고 있기 때문에, 리본의 폭 방향으로 도메인을 정렬하면 외부에서 자기장이 주어졌을 때 더욱더 큰 자왜변형을 유발할 수 있다. 레이저 열처리에 따른 Metglas 리본에서의 자기 도메인의 정렬 방향을 확인하기 위해 M-H 커브를 측정해 보았는데, 비정질 Metglas를 레이저 열처리하였을 때 폭 방향으로의 자화가 더 잘 일어나는 것을 확인하였다. 이는 레이저 열처리에 의해 표면 결정화가 일어나면서 자기 도메인의 방향이 폭 방향으로 정렬되었음을 의미한다. Metglas 의 레이저 열처리 전/후 결정화 정도를 그림 7(c)와 같이 X-선 회절(XRD)분석을 통해 확인해 보았는데, 열처리 후에 약 45˚전후로 큰 피크가 발생하였음을 알 수 있고 이는 결정화된 α-Fe와 관련된 것이다. 또한 레이저 열처리를 통해 Metglas의 기계적 특성도 향상시킬 수 있었는데, 그림 7(d)와 같이 응력-변형률을 측정해 보았을 때, 레이저 열처리 후 Young's modulus가 증가하고 선형적인 탄성 변형을 나타내어 자기-전기 복합체의 동작에서 기계적인 에너지 손실이 감소됨을 알 수 있었다. 본 연구에서 압전물질은 단결정의 Pb(Mg_1/3 Nb_2/3)O₃-Pb(Zr,Ti)O₃(PMN-PZT)를 이용하였는데, 경화제 첨가를 통해 보다 경질의 특성을 가지는 단결정 PMN-PZT 를 도입하였다. 이는 기존의 PMN-PZT 보다 압전특성은 떨어지지만 기계적 품질계수가 월등히 증가하여 공진 분위기에서 자기-전기 복합체를 동작할 때 기계적인 에너지 손실을 최소화 해 준다. 이렇게 제작된 자기-전기 복합체를 그림 7(e)와 같이 솔레노이드 코일 내에서성능평가를 진행하였는데, 레이저 열처리된 Metglas 및 경화된 단결정 PMN-PZT를 이용한 경우(sample #1)에 자기-전기 변환계수는 약 125,000 V/cm·Oe을 달성하였고, 레이저 열처리된 Metglas 및 도핑되지 않은 단결정 PMN-PZT를 사용한 경우에는 9,000 V/cm·Oe, 비정질 Metglas 및 경화된 단결정을 사용한 경우에는 약 7,000 V/cm·Oe을 달성하였다. 이를 통해 레이저 열처리를 통한 Metglas의 결정화 및 경화된 단결정 PMN-PZT를 이용한 자기-전기변환 성능향상이 뚜렷하게 이루어졌음을 확인하였다. 본 연구결과에서 제시한 125,000 V/cm·Oe의 자기-전기변환계수는 현존하는 세계최고의 값으로, 이를 이용하면 향후 초미세 자기장 감지용 센서 및 고성능의 I-V 변환용 전자부품을 제작할 수 있을 것이다.

지난 수십년간 자기 물체 감지 및 이미징을 위해 여러가지 원리를 이용한 시스템이 제작되었다.⁹⁾ 대표적으로 패러데이의(Faraday's) 유도 법칙을 이용한 탐지코일, 두 개의 코일로 둘러싸인 강자성 물질로 구성된 플럭스게이트(fluxgate) 센서, 앞서 언급한 SQUID 등이 이용되었는데, 이러한 방법 들은 커다란 부피, 높은 전력 소모, 비싼 비용 등의 문제를 가지고 있다. 가격이 저렴해 널리 사용되는 홀 효과(hall effect)기반의 자기장 센서의 경우 감지할 수 있는 최소 자기장의 크기가 100 nT이기 때문에 작은 자기장 변화를 감지하기 어려운 단점이 있다. 한편 자기-전기 복합체를 이용해 미세 자기장을 감지하려는 연구결과가 다수 보고 되었으나 단일 소자 기반의 매우 단순한 형태이고, 자기장의 크기는 감지할 수 있지만 자성체의 위치 및 형상 등의 정보는 얻기 어려웠다. 2019년 중국 북경대의 연구팀은 층상형 자기-전기 복합체 배열을 이용해 움직이는 자성체의 위치, 각도 방향, 길이비율을 감지하는 연구를 진행하였다.¹⁰⁾ 연구팀은 자왜재료인 Metglas와 압전 단결정 PMN-PZT를 이용해 길쭉한(1차원) 형태의 자기-전기 층상형 복합체를 제작하였다. 이때 Metglas 호일을 5장겹쳐 다층구조를 형성하였으며 이것을 압전체 아래 위에 부착하여 그림 8(a)와 같은 구조의 층상 복합체를 제작하였다. 제작된 1차원 형태 복합체의 자기-전기변환계수를 공진 및 비공진 분위기에서 측정을 진행하였는데, 그림 8(b), (c)처럼 공진 분위기에서는 약 5,600 V/cm·Oe, 비공진 분위기에서는 28 V/cm·Oe를 달성하였다. 그림 8(d), (e)는 자기 감지 및 스케치 시스템의 개략도 및 실제 모습을 보여주는데, 센서 배열 구성을 위해 총 56개의 자기-전기 층상형 복합체가 수직한 방향으로 1.2 cm의 간격을 두고 배열되었다. 각각의 자기-전기 복합체 소자는 생성되는 전기적 신호를 개별적으로 측정하고 분석할 수 있는 계측장비에 연결이 되어 2 차원 공간에서의 자기 스케칭이 가능 하도록 구성이 되었다. 자기 이미징 시스템은 그림 8(f)와 같은 방식으로 구동이 되는데, 먼저 자기-전기 복합체에 자기장을 인가하기 위해 코일에 교류전류를 공급하면 자기-전기변환 효과에 의해 복합체에서 전압이 생성된다. 만약 철과 같은 자성체가 자기-전기 복합체 배열주변을 통과하면 각각의 코일에서 발생된 자속의 변형이 발생하는데, 이 때문에 자기-전기 복합체에서 생성하는 전압 값의 변화가 생긴다. 56개의 자기-전기 복합체는 실시간으로 동작이 되고 있으므로, 자성체가 특정 복합체 주변으로 지나가게 되면 그 복합체에서 발생되는 전압 신호의 크기는 다른 복합체와 비교했을 때 차이가 발생한다. 이러한 신호의 변화 패턴을 분석함으로써 스케치하고자 하는 자성체의 y축에서의 위치 파악이 가능하다. 자성체가 x축 방향으로 멀어지는 경우에는 코일에서 발생하는 자속의 크기에 작은 영향을 주고, 자기-전기 복합체에서 신호에도 작은 변화를 유발할 것이다. 이러한 원리를 이용해 본 연구에서는 x-y 2차원 평면에서의 자성체의 형태, 위치, 이동방향 등을 파악하는데 성공하였다. 이처럼 자기-전기 복합체를 이용하면 매우 저렴한 비용으로 자기 스케치 시스템 구성이 가능하고 생체에도 안전하게 적용할 수 있기 때문에 향후 다양한 분야에서의 응용이 기대된다.

층상형 자기-전기 복합체를 다용도로 사물인터넷에 적용하기 위해서는 60 Hz의 주파수, 10 Oe이하의 교류 자기장 분위기에서 충분한 에너지를 출력해야 한다. 이를 위해 몇 년간 다양한 방법들이 시도되었는데, 2018년 미국 펜실베니아 주립대학교 연구팀에서는 자왜재료 층의 두께 조절을 통해 자기-전기 층상복합체의 에너지 출력을 극대화하였고 이를 이용해 사물인터넷 소자를 구동 하였다.¹¹⁾ 본 연구에서는 자왜재료로 Metglas, 압전재료로 세라믹의 PbZr_x Ti_1-x O₃(PZT)를 이용하였다. 자왜재료인 Metglas는 그림 9(a)와 같이 다층구조로 되어있고, 에너지 하베스팅시 캔틸레버(cantilever)의 역할을 수행한다. 일반적으로 전력선은 60 Hz의 주파수를 가지는 교류 전력을 전송하는데, 효과적인 자기-전기 발전을 하기 위해서는 층상 복합체의 공진 주파수를 60 Hz에 맞추어야 캔틸레버의 움직이는 진폭이 극대화되어 높은 에너지 출력이 가능하다. 연구팀은 자왜 캔틸레버로 이용되는 Metglas 호일의 층수를 조절하며 출력을 살펴보았는데, 5층, 10층, 15층, 20층의 Metglas 캔틸레버를 이용해 자기-전기 복합체의 특성을 살펴보았다. 발전소자의 공진 주파수를 60 Hz에 맞추어야 하기 때문에 자석 질량체는 0.16 g, 1.96 g, 5.57 g, 13.5 g을 각각 이용하였는데, 자석 질량체가 무겁고 클수록 자기장 분위기에서 더욱더 큰 자기력이 발생하여 자왜 캔틸레버를 크게 변형하는데 유리하다. 또한 Metglas의 두께가 두꺼울수록 압전층에 가해지는 응력을 증가시켜 압전층에서 큰 출력을 얻을 수 있다. 이러한 이유 때문에자왜층의 두께가 증가하고 자석 질량체의 무게가 증가할수록 높은 출력발생이 가능하였는데, 20층의 Metglas 및 13.5 g의 자석 질량체를 사용한 경우 300 V/cm·Oe 의 자기-전기 변환계수를 달성하였다. 자기-전기 복합체에 가해지는 교류 자기장의 크기를 바꾸어 가며 생성되는 에너지 출력을 측정해 보았는데, 0.1 Oe일 때 0.18 mW이던 순간출력은 1 Oe에서 9.7 mW까지 증가하였다. 자기장이 커질수록 자왜재료에서 발생하는 변형이 커지고 자석 질량체에서 발생하는 자기력 또한 커지므로, 압전층에서 발생하는 전기 에너지의 크기가 비례해서 증가함을 알 수 있다. 이후 전기 물 끓이기를 동작할 때 전선에서 발생하는 자기장을 이용해 자기-전기 복합체를 구동해 보았는데 최대 2.65 mW의 순간출력이 발생되었다. 이때 발생한 전기 에너지는 교류 형태이므로 사물인터넷 기기에 공급하기 위해서는 정류 및 전압의 크기조절이 필요하다. 이를 위해 상용의 정류기와 10 mF의 수퍼 커패시터(super capacitor)가 이용하였는데, 그림 9(d)와 같은 자가발전형 사물인터넷 구동 시스템을 구성하였을 때 물 끓이기를 이용해 물을 한 번 끓이게 되면 이동 방향, 온도, 습도를 측정하는 사물인터넷 센서는 총 6회의 센싱 및 무선전송을 실시하였다. 이를 통해 가전제품에서 발생하는 작은 크기의 자기장으로도 자기-전기 층상형 복합체는 에너지를 생성하고 유비쿼터스(ubiquitous) 전원으로 사용될 수 있는 가능성을 확인 하였다.

앞서 언급했듯이 자기-전기 층상형 복합체 발전소자의 출력향상 및 공진주파수 조절을 위해서는 자석 질량체가 캔틸레버 구조의 끝 부분에 고정된다. 2020년 미국 펜실베니아 주립대학교 연구팀은 캔틸레버 구조체에 자석 질량체를 추가로 부착하여 자석 질량체를 분산시켰고 이를 통해 자기-전기 에너지 발전특성을 향상하는데 성공하였다.¹²⁾ 자기-전기 복합체 기반의 발전소자는 그림 10(a)와 같이 송전선 등에서 발생하는 교류 자기장을 이용하여 전력선의 건전성 감시용 무선 센서의 전원을 공급하는데 이용될 수 있다. 현재까지 연구된 자기-전기 복합체 기반 에너지 발전소자의 구조는 그림 10(b)와 같이 캔틸레버의 끝 부분에만 자석 질량체가 위치한 구조였는데, 본 연구에서는 캔틸레버 중심부위에 자석 질량체를 추가로 부착하여 그림 10(d)와 같은 자석 질량체 분산형 자기-전기 발전소자를 개발하였다. 일반적인전력선이 60 Hz의 교류 자기장을 방출하기 때문에 발전소자의 공진주파수도 60 Hz로 고정해야 한다. 발전소자의 에너지 출력을 향상하기 위해서는 캔틸레버 끝부분에 부착되는 자석 질량체의 부피/중량을 향상하여 자기력 및 중력을 높이는 것이 가장 쉬운 방법인데, 이럴 경우 자기-전기 복합체의 공진주파수도 감소하는 문제점이 있다. 반면 추가적인 자석 질량체를 캔틸레버 구조체의 중간부분에 부착하면 캔틸레버의 끝부분에 자석질량체를 부착한 것과 비교했을 때 공진 주파수는 60 Hz로 유지하면서 더 많은 자석 질량체의 부피/중량을 달성할 수 있다. 이러한 원리로 말미암아 분산형 자석 질량체를 이용하는 경우, 자석 질량체를 캔틸레버 끝에만 부착하는 경우와 비교했을 때 그림 10(c)에서처럼 높은 에너지 출력을 기대할 수 있다. 연구팀은 자기-전기 복합체에서 출력되는 에너지의 극대화를 위해 그림 10(e)처럼 캔틸레버 끝과 중간 부분에 부착되는 자석 질량체의 질량비 및 거리비를 조절하며 공진 주파수가 어떻게 변화하는지를 살펴보았는데, 그림 10(f), (g)와 같이 자석 질량체의 질량비 및 거리비에 따라 공진 주파수는 큰 차이를 보여주었다. 전력선에서 발생하는 교류 주파수는 60 Hz이므로 자기-전기 복합체의 공진 주파수가 60 Hz인 경우만 에너지 발전에 사용할 수 있는데, 자석 질량체의 질량비가 4, 거리비가 0.6일 경우와 자석 질량체의 무게비 1, 거리비가 1인 경우에 자기-전기 복합체의 공진주파수를 60 Hz로 맞출 수 있었다. 이때 거리비가 1인 경우는 자석 질량체가 캔틸레버의 끝에 붙어 있는 경우이고, 1 보다 작은 경우에는 질량체가 분산된 경우이다. 또한 자석 질량체의 질량비 및 거리비에 따른 에너지 출력 값을 그림 10(h)와 같이 측정해 보았다. 전력선에서 실제로 사용할 수 있는 60 Hz의 공진주파수의 경우만 비교해 보았을 때, 자석 질량체가 분산형으로 캔틸레버에 부착되었을 때는 끝 부분에 위치한 경우보다 약 3배 정도 높은 전력을 발생할 수 있음을 알 수 있다. 이러한 분산형 질량체 구성은 일정한 주파수에서 매우 간단한 방법으로 자기-전기 발전소자의 출력을 매우 크게 증가시키는 접근법인 것을 확인하였다.

지금까지 자기-전기 복합체 발전소자의 성능을 향상하기 위해 다양한 시도가 있었는데 앞서 언급한 자왜층의 개선 외에도, 2020년 미국 펜실베니아 주립대학교 연구팀은 2개의 압전체을 도입하여 자기-전기 발전소자의 성능을 향상하는 연구를 진행하였다.¹³⁾ 본 연구에서는 자왜재료로 Metglas, 압전재료로는 표준 PZT-5A를 이용하였다. 소자의 구조는 그림 11(a)와 같이 일반적인 캔틸레버 형태를 가지고 있는데, 자왜층과 압전층을 번갈아 가며 제작하는 2개층의 압전구조를 가지고 있는 것이 특징이다. 자기-전기변환 과정에서 캔틸레버가 상하로 진동을 하게 되는데, 2개층의 압전층을 가지고 있으면 기존 압전층이 하나 있는 구조보다 출력을 많이 얻을 수 있다. 외부에서 교류 자기장이 가해지면, 기존 캔틸레버 형태의 자기-전기 복합체와 마찬가지로 자왜재료의 변형 및 자석 질량체에서의 자기력이 발생하여 캔틸레버의 상하 진동을 발생시킨다. 출력의 극대화를 위해서 Metglas 호일층의 개수를 2층, 4층, 6층으로 변화시키며 자기-전기 복합체에서 생성되는 에너지 출력을 비교해 보았다. 먼저 자기-전기 변환계수를 측정해 보았는데, Metglas를 2층, 4층, 6층으로 형성하였을 때 그림 11(b)처럼 약 310 V/cm·Oe, 480 V/cm·Oe, 550 V/cm·Oe의 값을 나타내어 4층의 Metglas 구조를 이용할 때 가장 높은 자기-전기 변환특성을 나타내는 것을 확인하였다. 다음으로 그림 11(c)와 같이 4층 Metglas 구조의 발전소자를 이용해 전력을 측정해 보았다. 외부에서 가해지는 교류 자기장이 0.5 Oe, 1 Oe, 3 Oe, 5 Oe일 때의 전력을 각각 측정해 보았는데, 자기장이 높아질수록 출력되는 전력은 점점 증가하여 3 Oe일때는 2.3 mW, 5 Oe일때는 5.3 mW를 달성하였다. 이는 현존하는 자기-전기 복합체 기반 발전소자 중 최고수준의 성능이라고 할 수 있는데, 다층의 압전체를 사용하였기 때문에 달성이 가능한 수치이다. 다음으로 다중 압전층의 자기-전기 복합체 발전소자를 이용해 다양한 응용을 진행하였는데, 10 mF의 수퍼 커패시터를 그림 11(d)와 같이 충전하였다. 자기-전기 복합체에 가해지는 교류 자기장의 크기가 높을수록 큰 에너지 출력이 나오기 때문에 커패시터 충전속도 역시 자기장이 클수록 빠른 것을 알 수 있었다. 다음 순서의 응용을 위해 비교적 용량이 큰 1 F의 수퍼 커패시터를 충전시켰고, 크기가 작은 백열 전구를 그림 11(e)와 같이 점등하는데 성공하였다. 본 논문에서의 결과는 기존의 연구결과와 비교했을 때 3 Oe의 작은 크기의 교류 자기장에서 1 mW 이상의 에너지 출력을 낸 것이 특징이라고 할 수 있고, 층상형 자기-전기 복합체는 사물인터넷 구동용 발전장치로 널리 쓰일 수 있음을 보여주었다.