최원준 교수팀, UNIST연구진과 공동으로

배터리 없이 스스로 작동하는 환경센서 시스템 개발 

 ▲ 왼쪽부터 최원준 고려대 교수(교신저자), 최재혁 UNIST 교수(교신저자), 성태호(UNIST, 제1저자), 신동준(고려대, 제1저자)

 
외부에서 전원을 공급하지 않아도 스스로 주변 환경 변화를 모니터링하여 정보를 제공해 주는 센서시스템이 개발돼 화제다.

한국연구재단(이사장 조무제)은 “배터리 없이 지속적으로 환경요소의 변화 양상을 실시간으로 관측, 분석, 표시할 수 있는 차세대 센서 플랫폼을 개발했다. 미래 사물인터넷(IoT) 시스템 핵심 부품의 가장 큰 장애요소인 배터리 교체 문제를 해결할 가능성이 제시됐다.”고 밝혔다. 
*센서 플랫폼 : 다양한 센서의 구동에 범용적으로 사용할 수 있는 하드웨어 장치

고려대 공과대학 기계공학부 최원준 교수와 UNIST 최재혁 교수 공동연구팀은 다양한 주변환경 중 물을 모니터링 대상으로 연구를 추진했다. 개발된 시스템은 배터리 등 외부전원의 사용 없이, 자체적으로 생성한 에너지만을 이용하여, 전기에너지의 발생 양상을 실시간으로 분석하고 이를 통해 물의 움직임 정보(물결이 표면과 접촉하는 면적, 물결의 속도 등)를 역으로 분석, 산출하여 외부에 시각적으로 전달해줄 수 있는 통합 플랫폼이다.

에너지 발생 방식은 고체 표면과 물의 접촉으로부터 전기 에너지를 발생시키기는 마찰대전 나노발전기에 기반한 방식을 사용했다. 이 연구에서 사용한 마찰대전 나노발전기는 물이 고체 표면에 접촉하였을 때 마찰전기로 인해 고체 표면에 분극이 생기고 물 분자의 극성이 분극에 동기화되어 전기적 평형이 깨지고 전자가 이동하는 원리로 에너지를 발생시키는 방식이다. 
*마찰대전 나노발전기(Triboelectric nanogenerator) : 물질이 특정한 고체 표면과 마찰할 때 전기가 생성되는 장치
*분극 : 유전체를 전기장 속에 놓을 때, 물체 양 끝에 양전기와 음전기가 나타나는 현상
*전자 : 음의 전하를 운반하는 입자

에너지를 저장하고, 데이터를 분석처리 하는 것은 상용 상보성 금속 산화막 반도체 (CMOS) 기반 집적회로로 제작하여 저비용 제품화가 가능하도록 했다. 분석된 정보는 이진수 코드를 표현하는 복수개의 LED를 통하여 표시된다. 
*상용 상보성 금속 산화막 반도체 : 높은 경제성과 집적도로 인하여, 마이크로프로세서나 메모리 등의 디지털 회로 뿐만 아니라, 아날로그/RF 회로의 제작에도 널리 사용되는 P형과 N형의 트랜지스터로 구성된 집적 회로 공정의 한 종류

최원준·최재혁 교수팀은 “이 연구는 배터리 없이 스스로 생성한 에너지를 이용하여 물의 움직임을 지속적으로 모니터링할 수 있는 차세대 센서시스템을 개발한 것이다. 해류의 흐름, 하천 혹은 상․하수도에서의 유량 및 유속, 빗물의 흐름, 시간당 강수량, 액체의 유출 등을 지속적으로 관측하는 환경 센서, 산업 현장에서의 무전원 유체 모니터링 시스템 등에 적용될 수 있을 것으로 기대된다.”라고 연구의 의의를 설명했다.

미래창조과학부·한국연구재단의 기초연구사업(개인연구), 교육부․한국연구재단 이공학개인기초연구지원사업의 지원으로 수행된 이번 연구 결과는  에너지, 재료 분야의 국제학술지 나노 에너지 (Nano Energy) 3월 29일자에 게재됐다.

- 논문명 : Self-sustaining water-motion sensor platform for continuous monitoring of frequency and amplitude dynamics
- 저자 정보 : 최재혁 교수(UNIST (울산과기원), 교신저자), 최원준 교수 (고려대학교, 교신저자), 성태호 (UNIST, 제1저자), 신동준 (고려대학교, 제1저자)

[ 용 어 설 명 ]

1. 나노 에너지 (Nano Energy) 誌
  ○ 나노 에너지는 모든 종류의 에너지 수확, 전환, 저장, 응용 등에 사용되는 나노 소재와 장치를 포괄적으로 다루고 있는 국제적으로 저명한 학술지이다. (피인용지수 : 11.553)

2. CMOS
  ○ 상보성 금속 산화막 반도체 (Complementary metal–oxide–semiconductor) 로서 집적 회로 공정의 한 종류이다. 양산 비용 면에서 경제성이 있으며, 지속적인 미세화를 통하여 동작속도 및 전력소모 등이 개선되어 마이크로프로세서나 메모리 등의 디지털 회로 뿐만 아니라, 아날로그/RF 회로의 제작에도 널리 사용되고 있다. 

3. 나노발전기(Triboelectric nanogenerator)
  ○ WC-TENG은 물이 특정한 고체 표면에 접촉하였을 때 마찰전기(triboelectric effect)에 의해 전기가 생성되는 장치를 말한다. 물방울이 마찰에 의해 대전되기 쉬운 물체에 접촉하였을 때 물 분자와 고체 표면 사이의 마찰전기효과에 의한 대전현상으로 인해 물체의 전하가 한쪽으로 치우쳐지는 분극이 발생되어 꺾인 형태의 분자 구조를 가지고 있는 물 분자가 분극의 전기장에 동기화되어 전기장이 증폭되고 이에 따라 전기적 평형상태가 깨지게 되어 전기적 평형상태를 유지하기 위해 전자가 이동하여 전기가 흐르게 되는 원리로 전기 에너지를 생성한다. 

[ 그 림 설 명 ]

(그림 1) 물방울의 움직임을 분석하는 Self-sustaining 센서 플랫폼의 구성도

물방울이 위아래에 위치한 전극에 의해 압축이 반복적으로 이루어지면 물방울과 전극 사이의 접촉 면적이 전극 사이의 간격에 따라 주기적으로 변하게 된다. 물방울과 전극 사이의 접촉 면적이 바뀌게 되면 마찰에 의한 분극이 발생한 면적도 동시에 변화하여 접촉 면적 변화율에 비례하는 전기 에너지가 발생하게 된다. 동시에 발생되는 전기 에너지를 CMOS 전기 회로를 통해 분석하여 물방울에 가해지는 압축의 거리 및 주기에 대한 정보를 추출 할 수 있다. 이 때 물방울과 전극의 마찰에서 생성되는 에너지는 CMOS 전기 회로를 통해 정류되어 전기 회로를 구동함과 동시에 외부에 신호를 보내는 6개의 LED용 전원으로 활용되며 해당 LED들의 on/off 상태로 물의 움직임 정보를 전송해준다.

      (그림 2) 물방울 압축 주기와 강도에 따른 무전원 자가구동 센서 플랫폼의 LED 출력 신호

물방울을 선형 모터를 이용하여 주기적으로 압축하였을 때 실제로 자가구동 센서 플랫폼을 통해 출력된 LED 피드백 출력 신호를 선형 모터의 진동수와 압축 깊이에 따라 나타낸 사진이다. LED는 WC-TENG 원리를 통해 발생된 전기 에너지를 CMOS IC에서 정류한 에너지를 통해 구동되었다. 선형 모터의 진동수가 증가함에 따라 물과 전극 사이의 접촉 면적 변화도 똑같이 증가하게 되고 발생된 교류 전기 에너지 신호를 분석하여 주파수가 증가함에 따라 주기가 감소하여 2진수 LED 출력 신호 값이 감소하였다. 마찬가지로 선형 모터의 압축 깊이를 증가시켜서 더 많이 물방울을 압축시켰을 때 접촉면적의 변화가 더 크기 때문에 전기 에너지 전압 신호가 커져 더 큰 2진수 LED 출력 신호 값을 나타내어 실제로 센서 플랫폼이 잘 작동하는 것을 알 수 있었다.

출처 : 커뮤니케이션팀 서민경(smk920@korea.ac.kr)