미세 진동 수확을 통한 자가발전 무선 CO₂모니터링 시스템 개념 및 구성 / 카이스트
 

카이스트(KAIST) 연구진이 외부 전원 없이도 CO₂농도를 실시간 측정하고 무선 전송할 수 있는 자가발전형 무선 모니터링 기술을 개발했다.

카이스트 전기및전자공학부 권경하 교수 연구팀은 중앙대학교 류한준 교수 연구팀과 공동으로, 주변 미세 진동 에너지를 수확해 구동되는 이산화탄소 자가발전 모니터링 시스템을 개발했다고 6월 9일(월) 밝혔다. 이 시스템은 산업 설비나 배관 등에서 발생하는 미세한 진동을 전기에너지로 바꿔 CO₂ 센서를 작동시키고, 측정 데이터를 무선으로 전송할 수 있도록 설계됐다.

이번 시스템의 핵심 구성 요소는 ‘관성 구동 마찰전기 나노발전기(Triboelectric Nanogenerator, TENG)’다. 이 발전기는 진폭 20~4000㎛, 주파수 0~300㎐ 범위의 진동 에너지를 전기 에너지로 변환하는 기술로, 배터리나 외부 전원이 없이도 작동 가능하다. 연구진은 4단 적층 구조의 TENG에 탄성 스프링을 결합해 미세 진동을 증폭시키고, 공진 현상을 유도해 13㎐, 0.56g의 가속도 조건에서 0.5㎽의 전력을 안정적으로 생성하는 데 성공했다. 이 전력은 CO₂센서와 저전력 블루투스 통신 모듈을 작동시키는 데 활용됐다.

현재 사용 중인 대부분의 이산화탄소 모니터링 시스템은 유선 전력이나 배터리 기반으로, 설치와 유지관리에서 많은 제약이 따랐다. 그러나 이번에 개발된 자가발전형 시스템은 전원 인프라가 부족한 산업 현장이나 외딴 지역에서도 장기적으로 활용이 가능하다는 점에서 의미가 크다.

카이스트 권경하 교수는 “효율적인 환경 모니터링을 위해서는 전원 제약 없이 지속적으로 작동 가능한 시스템이 반드시 필요하다”라며 “이번 연구는 관성 구동 마찰전기 나노발전기를 통해 생성된 에너지로 CO₂농도를 측정하고 데이터를 무선 전송하는 데 성공했다는 점에서 중요한 진전”이라고 설명했다.

이어 “향후에는 다양한 환경 센서를 통합한 자가발전형 플랫폼으로 확장해 나갈 수 있을 것”이라고 덧붙였다.

이번 연구에는 카이스트 석사과정 장규림 학생과 중앙대학교 석사과정 다니엘 마나예 티루네(Daniel Manaye Tiruneh) 학생이 공동 제1저자로 참여했으며, 연구 성과는 국제 저명 학술지 나노 에너지(Nano Energy) 6월 1일(일)자에 게재됐다.