위건드 효과(Wiegand effect)를 통한 에너지 수확

Posital

사물인터넷을 포함한 새로운 애플리케이션을 위해 데이터 수집을 목표로 하는 소형 분산 센서 및 전자 장치에 대한 수요가 높아지면서 에너지 수확기술(technologies for energy harvesting)에 관심이 집중되고 있다.

엔지니어와 과학자들은 독립된 장치가 주변 환경에서 소량의 에너지를 수집하여 전자 회로에 전력을 공급할 수 있는 방법을 모색해 왔다. 외부 전원 또는 배터리를 제거하면 장치가 전력을 자급자족하면서 안정성이 향상되고 유지관리 요구사항도 줄어들기 때문이다.

오늘날 사용되는 몇 가지 에너지 수확 기술이 있다. 예를 들어, 열전대 효과(Thermocouple effects)는 전기 에너지를 제공하는데 활용된다. 이는 상당한 전력수준을 위해 장치에서 강한 온도구배가 필요하다. 위건드 효과는 또 다른 기계적 운동 즉 회전 또는 진동에서 전기 에너지를 생성하는 에너지 수확 기술이다.

위건드 효과로 인한 에너지 수확은 동작이 매우 느리게 발생하는 경우에도 일관된 수준의 에너지를 생성할 수 있어 안정적이고 효율적이다.

위건드 효과

위건드 효과는 1970년대 독일계 미국인 음악가이자 발명가인 John wiegand에 의해 발견된 물리적 현상이다. 위건드는 강자성 합금 조각(위건드 와이어)이 외부 자기장의 영향을 받을 때 특정 지점까지 자기 극성을 유지하다가 갑자기 반대 극성으로 '뒤집기' 되는 현상이 발생한다.

자기 극성의 이러한 변화는 몇 마이크로초 이내에 발생한다. 이러한 급격한 자기 극성 변화는 위건드 와이어와 가까운 구리 코일에 전류 펄스를 생성할 수 있다. 이때 전류 펄스의 강도와 지속 시간은 외부 자기장이 변화하는 속도와 무관하다. 이것이 엔지니어에게 위건드 효과를 흥미롭게 만드는 이유다. 간단한 발전기는 회전 운동을 전기 에너지로 변환하지만 출력 전력은 회전 속도에 따라 다르게 나타난다. 다이나모 샤프트는 느리게 회전할 때 전력 수준이 너무 낮아서 많이 사용되지 않고 있다.

그러나 위건드 와이어 시스템을 사용하면 자기장이 역전될 때마다 생성되는 전기 에너지의 양이 일정하게 유지된다. ‘위건드 와이어(Wiegand wire)’는 Vicalloy 와이어(바나듐, 철 및 코발트의 합금)를 담금질한 다음 늘리고 비틀면서 경화된 외부 층을 형성하고 부드러운 내부 코어를 만드는 공정을 통해 생산된다.

위건드 와이어 개발 공정은 John wiegand와 그의 동료들의 수많은 시행착오를 통해 탄생됐다. 그들이 개발한 위건드 와이어를 생산하는 기계에는 다양한 속도로 와이어를 꼬았다가 푸는 회전 프레임이 있다.

위건드 효과의 적용

위건드 효과의 초기 애플리케이션은 보안 시스템용 카드였다. 여러 개의 짧은 길이의 위건드 와이어가 각 카드의 플라스틱 본체에 나란히 내장되어 있다. 이러한 와이어 조각 사이의 간격은 카드에 따라 다르다.

사용시 위건드 와이어에서 극성 반전을 일으키도록 배열된 영구 자석이 판독기를 통해 카드를 스와이프(swipe)한다. 이러한 극성 반전을 감지하여 장치는 카드에 내장된 코드 번호(와이어 간격 기준)를 읽고 카드 소지자에게 액세스 권한 여부를 결정한다. 이 기술은 수십 년 동안 성공적으로 사용됐으며, 현재는 새로운 RFID 기술로 대체되었다.

회전 운동에서 에너지 수확

위건드 효과의 또 다른 주요 애플리케이션은 수도 및 가스계량기의 회전 카운터와 산업용 모션 제어 애플리케이션에 사용되는 다중 회전 인코더에 전원을 제공하는 것이다. 위건드 효과가 회전 카운터에 사용될 때 위건드의 짧은(15mm) 와이어는 회전축에 장착된 자석 옆에 위치한다. 자기장이 회전함에 따라 와이어 세그먼트의 자기 극성은 회전할 때 N-S에서 S-N으로, 그 다음 S-N에서 N-S로 두 번 뒤집힌다.

이러한 극성 변화는 위건드 와이어 섹션을 감싼 가는 구리 와이어에 전류 펄스를 생성한다. 각 극성 변화(약 200 nano joule per pulse)로 생성된 전류 펄스 에너지는 회전 수를 기록하는 저전력 카운터 회로에 전원을 공급한다.

위건드 효과를 이용한 회전 카운터는 인코더(회전 센서) 제조업체인 POSITAL-FRABA에서 성공적으로 사용되었다. 여기서 홀 효과 센서 세트는 각 회전 내에서 샤프트 자석의 각도 위치를 측정하는 반면, 위건드 와이어 구동 회전 카운터는 회전 수를 추적한다.

이 배열의 장점은 회전 카운터가 사실상 자체 전원으로 공급된다는 것이다. 외부 시스템 전원을 사용할 수 없을 때에도 기기는 안정적으로 회전 수를 유지한다. 카운터 시스템은 백업 배터리가 필요하지 않으므로 안정성이 향상되고 유지관리 요구사항을 충족한다.

위건드 기술의 성공을 기반으로 POSITAL의 모회사인 FRABA BV는 제조 공정의 신뢰성을 개선하고 에너지 출력을 높이는 것을 목표로 와이어 생산 기계를 만드는 R&D 프로그램 개발을 착수했다.
위건드 모듈은 전류를 생성하는 구리 코일로 둘러싸인 와이어로 구성되어 있으며 모두 표면 실장 가능한 플라스틱 프레임에 포장되어 있다.

POSITAL-FRABA는 위건드 와이어 시스템이 궁극적으로 자체 전원 센서로 이어질 것으로 예상하고 있다. 여기에 무선 데이터 통신의 가능성을 추가하면 전원 또는 유선 연결이 필요하지 않은 독립형 센서가 될 수 있다. 이러한 센서는 애플리케이션의 범위를 한층 넓혀 줄 것이다.

위건드 효과 내부

철, 니켈 및 코발트 합금과 같은 강자성 재료는 외부 자기장에 의해 자화될 수 있다. 물질이 자기 극성을 변경하는 용이성은 '보자력(coercivity)’이라고 하는 물질 속성에 따라 달라진다. 변압기 코어에 사용되는 연강과 같이 부드러운 재료는 보자력이 낮고 자기 상태가 쉽게 변한다. 영구 자석을 만드는 데 사용되는 합금과 같이 자기적으로 단단한 재료는 매우 강한 외부 자기장에 노출되지 않는 한 자기(magnetic) 상태를 유지한다.

Wigand 와이어를 생산하는 데 사용되는 기계는 상대적으로 부드러운 코어를 둘러싸고 있는 와이어에 자기적으로 단단한 외부 레이어를 생성한다.

위건드 사이클

A. 싸이클이 시작될 때 단단한 외피와 연질 내핵의 자기 극성은 동일하다.

B. 와이어가 반대 방향으로 외부 필드에 노출되면 와이어의 단단한 외부 층이 부드러운 코어를 보호하므로 둘 다 원래의 자기 극성이 유지된다. 그러나 외부 필드의 강도가 임계값에 도달하면 이 차폐 효과의 영향이 커지고 와이어 코어에서 자기적으로 부드러운 재료의 극성이 갑자기 반전된다. 이러한 급격한 극성 변화는 와이어를 둘러싸고 있는 코일에 전류 펄스를 생성한다.

C. 곧 강화된 외부 자기장과 내부 코어의 역 극성이 결합하여 외부 쉘의 자기 극성도 역전되면서 더 작은 두 번째 전류 펄스를 생성한다.

D. 외부 필드가 감소함에 따라 와이어는 새로운 극성을 유지한다.

E. 이제 역전된 외부 필드가 임계값에 도달하면 위건드 와이어의 핵심 재료가 원래 극성으로 되돌아간다. 이것은 주변 코드에 전류 서지를 생성한다.

F. 그리고 외부 핵의 극성 반전이 빠르게 뒤따르며 전선은 상태 A로 돌아간다.

자료 제공: Posital(www.posital.com)