KAIST, 전력 없이 CO₂ 실시간 측정·전송…자가발전형 무선 모니터링 시스템 개발

한국과학기술원(KAIST) 연구진이 전력공급 없이 이산화탄소(CO₂) 농도를 실시간으로 측정하고 무선으로 전송할 수 있는 자가발전형 모니터링 시스템을 개발했다.

KAIST 전기및전자공학부 권경하 교수 연구팀은 중앙대학교 류한준 교수 연구팀과 공동으로 주변 미세 진동에너지를 수확해 이산화탄소 농도를 주기적으로 측정하는 무선 시스템을 구현했다고 9일 밝혔다.

기후변화 대응과 탄소중립 달성을 위해서는 주요 산업 현장과 도시 환경에서 이산화탄소 배출량을 정확하게 측정하고 지속적으로 모니터링하는 기술이 필수적이다. 그러나 기존 이산화탄소 센서 시스템은 유선 전원이나 배터리에 의존해 설치가 복잡하고 유지보수가 필요한 한계가 있다.

연구팀이 개발한 자가발전형 무선 이산화탄소 모니터링 시스템은 산업 장비와 배관에서 발생하는 진폭 20~4000μm, 주파수 0~300Hz 범위의 진동을 전력으로 변환하는 ‘관성 구동 마찰전기 나노발전기(TENG)’를 핵심 부품으로 적용했다.

연구팀은 탄성 스프링을 결합한 4단 적층 구조의 관성 구동 TENG를 설계해 진동 에너지를 증폭하고 공진(resonance) 조건을 활용했다. 이를 통해 13㎐, 0.56g 가속도 조건에서 0.5㎽(milliwatt)의 전력을 안정적으로 생산하는 데 성공했다.

생산된 전력은 CO₂ 센서와 저전력 블루투스 통신 모듈을 구동하는 데 사용된다. 시스템은 주기적으로 CO₂ 농도를 측정하고 측정값을 무선으로 전송할 수 있다. 별도의 전력 공급 없이 실시간 환경 데이터를 확보할 수 있는 것이다.

이번 연구 결과는 KAIST 석사과정 장규림 학생과 중앙대 석사과정 다니엘 마나예 티루네(Daniel Manaye Tiruneh) 학생이 공동 제1저자로 참여해 국제 학술지 ‘나노 에너지(Nano Energy)’ 6월 1일자에 게재됐다.

권경하 교수는 “관성 구동 마찰전기 나노발전기에서 수확한 에너지를 활용해 자가발전 기반 CO₂ 모니터링 시스템을 구현했다”며 “향후 다양한 환경 센서와 결합해 자가발전형 무선 모니터링 플랫폼으로 확대 적용할 수 있다”고 말했다.

김지윤 기자/ hello@sciencewave.kr