휴대폰, 랩탑 용의 초소형 발전기 개발

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직경 1cm, 높이 3mm의 초소형 발전기가 휴대전화의 전원으로서 충분한 1와트 이상의 전력을 생산하는 데 성공했다. 이 시험 제작기는 미국 육군 연구소로부터 자금 지원을 받아 수행되고 있는 '대체 배터리 프로젝트'의 일환으로서 미 조지아공대의 연구자 등에 의해 개발되었다. 이 시험제작기는 다양한 전자장치에의 응용이 기대된다. 연구원인 데이비드 아놀드는 “초소형 장치로 대용량 전력을 공급할 수 있게 된다.”고 말했다.
같은 대학의 연구자 등은 마이크로 엔진으로 불리는 시스템이 최종적으로 완성되면 종래의 배터리보다 발전량이 많고, 10배나 오래 가는 것이 실현될 가능성이 높다고 전망했다.
시험 제작기에서는 치과의사가 이용하는 드릴과 같은 압축 공기 시스템이 동력원으로 되어 있다. 설계자들은 연구 종료시까지 같은 크기의 마이크로 터빈과 제트를 이용한 발전기로 랩탑을 구동하기에 충분한 20~50와트의 전력을 생산할 수 있도록 한다는 계획이다.
이와 유사한 연구 개발이 각처에서 행해지고 있다. 작년에 영국의 버밍함 대학이 조지아 공대의 발전기와 동등한 크기의 세 종류의 디자인을 공개한 바 있다. 이 발전기에서는 각각 싱글 피스톤형, 프리 피스톤형, 마이크로 로터리형의 엔진이 채용되며, 연료로서 액체 CO2가 사용되고 있는데 향후에는 가솔린이나 프로판 등의 탄화수소 연료를 사용할 예정이라고 한다.
이 발전기는 코일 위에 동전(coin)형 자석을 회전시킴으로써 전기를 발생시키며, 회전 속도가 올라가면 발전량도 올라가는 구조다. 시험 제작기에서는 자석이 10만 RPM(회전/분)으로 회전한다. 이것은 자동차 교류발전기(alternator) 최고 속도의 5배 이상이다. 이 시스템에서 고성능 자석은 망가지기 쉽기 때문에, 이 문제를 극복하기 위해 자석 크기를 최적화시키고, 원심력의 영향을 최소화시키는 형태로 만들며 강도를 증가시키기 위해 티타늄 커버가 씌워져 있다.
이 프로젝트에도 참가하는 마크 알렌 교수는 “이것은 MEMS(미소전기 기계 시스템)를 기초로 한 마이크로 발전 시스템을 개발하는 데 중요한 한 걸음이 될 것이다.”라고 말했다.
한편, 초소형 연료전지를 개발하고 있는 미국의 MTI MicroFuel Cells사도 지난 6월 하순 노트북 PC나 휴대용 단말기에 탑재 가능한 제품의 개발에 성공했다고 발표한 바 있다. 이 회사는 '모비온(Mobion)'이라는 배터리의 원형(prototype)을 발표했다. 이 제품은 종래의 배터리보다 장시간 가동할 수 있고, 다른 연료전지와 비교하여 간단하게 생산할 수 있다.
직접 메탄올(direct methanol)을 이용하는 이 연료전지는 메탄올을 분해하여 전기를 생산하는데, 메탄올은 촉매막과 반응해 전기를 발생시킬 때 부산물로서 이산화탄소와 물도 발생한다. 이 기술은 컴퓨터 메이커 각사로부터 주목을 끌고 있으며, 특히 PDA와 휴대 전화, 노트북 PC의 메이커 등은 이것이 리튬 이온 배터리를 보완 또는 대체할 것으로 기대하고 있다. MTI Micro에 따르면, 이 기술에서는 물을 메탄올 탱크에 주입할 필요가 없다는 점이 타 경쟁사의 기술과 다른 점이라고 한다.
출처 : kisti
The Little Engine That Could Be
Louise Knapp  

The micro turbine rotor
The development of a fuel-powered miniature engine, touted as a more efficient and longer lasting alternative for the battery, may push the Energizer Bunny to the unemployment lines.
No bigger than a regular shirt button, the micro gas turbine engine uses the same process for producing electricity as its big brother electricity stations -- burning fuel and running it through a power plant.
"Fuel and air in, and electricity out," said Luc Frechette, one of the Microengine Project team members at Massachusetts Institute of Technology.
Frechette is currently assistant professor of mechanical engineering at Columbia University.
At about one thousandth the size of a regular power station, the engine-on-a-chip will create about 1 millionth the power level, producing 20 watts of power at 2.4 million rpm from its cubic centimeter-sized package.
"It will give 10 times the amount of power that is generated by the best lithium battery," Frechette said.
And when the engine runs out of juice you just fill 'er up again. There's no need to wait to recharge or run out to the store for new batteries.
"If you take a laptop battery for instance, it's just a bit bigger than a deck of cards. The engine would take up the space of, say, a quarter. The rest of the space would be for the fuel tank," Frechette said.
"This fuel could last you for 24 hours and then, when empty, you can just refill the tank."
Weighing less than a gram, the engine is constructed from eight wafers of diffusion-bonded silicon and consists of a combustion chamber that ignites hydrogen and shoots hot gas past a spinning turbine that powers the compressor to drive the machinery.
The engine's tiny components -? the bearings, chambers and turbine -- are precision etched onto the silicon.
"We use the same miniaturizing technology that is used in the microchip industry," Frechette said.
Building a complex 3-dimensional engine on such a microscopic scale is no mean feat.
"We're pushing micro-fabrication to a new standard," Frechette said.
One complication in developing components whose dimensions are measured in hundreds of microns is the difficulty in finding the right tools for the job.
High speed rotating machinery requires high precision manufacturing to maintain tight clearance and good balance.
To ensure that the millimeter-sized machines have the required fractional precision, the tools used to create them have to be made with the same exact precision -? one micron off and the resulting engine will be a non-starter.
There's also the issue of stress.
"The engine is a spinning man-made machine that goes at 2 million revolutions per minute. We don't know yet what kind of stress or problems this may have on the moving parts," Frechette said.
These aren't the only challenges in building the engine.
"When you scale things down you also create more friction, which results in more heat," Frechette said.
This means that using a micro gas engine to power, say, your cell phone may mean you will feel your ears burn -? literally.
"The engine generates a lot of heat. Burning fuel produces heat that needs to be evacuated -- this means it won't replace the battery in all applications," Frechette said.
Once the problems of fabrication have been addressed, Frechette is confident that a complete system, with all the components in place, will be ready within the next year.
Frechette believes the first buyers will be from the military.
"The military are very interested in these. The small robots sent into the WTC rubble, for instance, had to be connected with cables to power them because their batteries are too heavy to carry," Frechette said.
The micro engine would eradicate these problems.
The commercial market will follow.
"For commercial use, the first application will probably be a battery charger -- if not actually in a laptop it could sit beside it," Frechette said. "Instead of having to get to an AC outlet, you can carry your power supply along with you."
Representatives from battery manufacturers Duracell, Rayovac and Energizer were unavailable for comment.
⊙ 전지보다 효율이 좋고 오래 가는 전지 대체품으로서 화석연료로 구동하는 초소형 발전기가 개발됐다. 이로 인해 건전지 메이커인 미국 에너자이저(Energizer)의 이미지 마스코트인 토끼도 실업자의 대열에 참가할지도 모른다.
⊙ 이 초소형 가스터빈 발전기는 홈페이지 http://www.wired.com/news/photo/0,1860,48400,00.html에 게재되어 있으며 크기는 보통 셔츠의 버튼 정도로 작지만 발전하는 방식은 화력발전소와 같이 화석연료를 태워 발전용의 터빈을 회전시킨다. 발전기 개발팀의 일원인 콜롬비아 대학(http://www.columbia.edu/ )의 색 후레시트 조교수(기계공학)는 "연료와 공기를 수중에 넣어 전기를 출력한다"고 설명했다.
⊙ 집적회로 수준의 이 극소 발전기는 일반 발전소에 비해 크기는 약 1,000분의 1이고, 발전 능력은 약 100만 분의 1이다. 1입방 센치의 유니트가 매분 240만 회전으로 20와트의 전력을 생산한다.
⊙ "가장 성능이 우수한 리튬 전지의 10배의 전력을 공급할 수 있다"고 후레시트 조교수는 말했다. "예를 들어, 노트 PC 배터리의 크기는 트럼프 1조보다 조금 크지만 발전기의 부분에 필요한 용적은 약 4분의 1 정도이고, 나머지 공간은 연료 탱크가 된다"고 후레시트 교수는 말하고 "이 정도의 연료 탱크라면 24시간 유지가 가능하다. 텅 비게 되면 탱크에 연료를 보충하면 되며 재충전될 때까지 가만히 기다려 있거나 새로운 전지를 사러 가게에 달려갈 필요는 없다"고 덧붙였다.
⊙ 무게가 1그램에도 못 미치는 엔진부는 확산 접합[가열 가압에 의해 재료간 원자의 확산 현상을 이용해 접합하는 방법]된 실리콘제의 얇은 판자 8매로 되어 있다. 연소실 내에서 수소로 점화해 고온 가스를 터빈에 분사함으로써 터빈으로부터 압축기에 에너지가 전달되어 발전장치를 구동하게 된다. 베어링, 연소실, 터빈 등 발전기의 소형 부품은 정밀한 에칭에 의해 실리콘의 표면에 형성된다.
⊙ "우리는 마이크로칩 산업이 사용하고 있는 것과 같은 소형화 기술을 채용하고 있다"고 후레시트 교수는 말하고 "이와 같이 미소한 규모로 복잡한 입체의 발전기를 제작한다는 것은 상당한 기술이며 이에 의해 초정밀 가공의 새로운 기준이 확립될 것"이라고 덧붙였다. 미크론 단위 치수의 부품을 개발할 때 난제의 하나는 작업에 적절한 도구를 어떻게 찾아내느냐는 것이다. 고속으로 회전하는 기계에는 고도의 밸런스를 유지하기 위해 높은 가공 정밀도가 요구된다. 밀리미터 크기의 기계에 필요한 높은 정밀도를 확보하기 위해서는 제조시에 고정밀도의 도구가 사용돼야만 한다. 1미크론이라도 어긋나면 완성된 발전기가 움직이지 않을지도 모르기 때문이다.
⊙ 또한 응력의 문제도 있다. "이 발전기는 사람의 손으로 만들어진 매분 200만회나 회전하는 기계다. 가동 부분에 어떠한 응력이나 문제가 생길 지는 아직 모른다"고 후레시트 교수는 설명했다. "크기를 작게 하면 상대적으로 마찰은 커지며 그 결과 발생하는 열도 불어나게 된다"고 그는 말했다. 예를 들어 초소형 엔진을 휴대전화의 전원으로 사용할 경우 귀에 화상을 입을 정도로 뜨거워질지도 모른다는 것이다. "발전기의 발열량은 크다. 연료를 연소시키면 열이 발생하므로 이것을 배출할 필요가 있다. 즉, 어떤 용도에서도 전지의 대용이 되려는 것은 아니다"며 조립 상의 문제가 해결되면 완전한 시스템이 내년 중에 완성될 것이라고 후레시트 교수는 말했다. - (hylee@kaeri.re.kr)