외부에서 전원을 공급하지 않아도 주변 환경을 지속적으로 감시할 수 있는 ‘센서 시스템’이 개발됐다. 사물인터넷(IoT) 시스템에 큰 걸림돌로 여겨졌던 배터리 교체 문제를 해결할 가능성이 제시됐다.
최재혁 UNIST 전기전자컴퓨터공학부 교수팀과 최원준 고려대 기계공학부 교수팀은 ‘배터리 없이 지속적으로 환경변화 양상을 실시간 관측, 분석, 표시할 수 있는 차세대 센서 플랫폼’을 개발했다. 센서 플랫폼은 다양한 센서를 작동시키는 데 널리 적용할 수 있는 하드웨어 장치를 말한다.
▲물방울의 움직임을 분석하는 Self-sustaining 센서 플랫폼의 구성도: 물방울이 흐르거나 반복적으로 압축될 때 물과 물이 닿는 물질 사이의 접촉 면적은 주기적으로 변하게 된다. 이때 마찰에 의한 분극이 발생하면서 전기 에너지가 발생한다. 이렇게 생성된 전기를 이용하여 구동되는 CMOS 반도체회로는, 물에 의한 전기 에너지 생성의 양상을 실시간으로 관측하여 물방울이 접촉하는 표면면적의 변화량과 변화의 주기에 대한 정보를 지속적으로 추출할 수 있다. 생성된 전기 에너지는 CMOS 회로로 정류돼 전기 회로를 구동할 뿐 아니라, 외부에 신호를 보내는 6개의 LED용 전원으로 활용된다. LED들은 on/off 상태로 물의 움직임 정보를 전달해준다.
기존 환경 센서들은 외부에서 전력을 공급하거나 배터리를 사용하기 때문에, 반영구적인 모니터링에 한계가 있었다. 이번 시스템은 환경 센서의 동력원을 ‘에너지 수확 기술’로 해결했다. 에너지 수확 기술은 물이나 공기, 압력, 열 등의 환경 변화를 이용해 전기를 발생시키는 기술이다.
최재혁 교수는 “수많은 센서에 유선으로 전력을 공급하거나 배터리를 주기적으로 교체하는 것은 현실적으로 불가능하다”며 “본 연구에서 개발된 반도체회로는 여러 가지 기능을 동시에 수행할 수 있는 시스템 형태로 설계되어, 환경 변화에서 에너지를 얻는 동시에 신호를 분석하고 표시할 수 있다”고 설명했다.
물결에서 전기 에너지 얻고 분석 신호도 잡는다
이번에 개발한 ‘자가구동 환경 센서 시스템’은 ‘물’을 대상으로 삼았다. 우선 전기 에너지 생산에는 ‘마찰대전 나노발전기(triboelectric nanogenerator)’가 사용됐다. 물이 고체 표면과 접촉하면 마찰전기가 생기면서 고체 표면이 양전하와 음전하로 나뉘는 분극이 일어난다. 이때 물 분자의 극성이 분극에 동기화돼 전기적 평형이 깨지고 전자가 이동하면서 에너지가 만들어지는 것이다.
▲최재혁-최원준 교수팀이 개발한 센서 시스템의 모습: 왼쪽은 물의 움직임을 모사할 수 있는 실험 장치에 부착된 ‘마찰대전 나노발전기(triboelectric nanogenerator)가 테스트 기판위에 올려진 반도체회로와 연결된 모습이고, 오른쪽은 최재혁 교수팀이 설계한 반도체회로를 전자현미경으로 촬영한 사진이다.
수확한 전기 에너지를 저장하고, 신호를 분석하는 회로는 CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor) 공정을 기반으로 제작됐다. CMOS는 디지털 회로는 물론 아날로그 회로 제작에도 널리 쓰이는 경제성이 높은 반도체 공정이다. P형과 N형의 트랜지스터로 구성돼 있어 다양한 신호를 처리하는 회로 설계를 하기에 좋다. 또 저비용으로 생산이 가능해 제품화에도 유리하다.
충전, 분석, 표시를 동시에 하는 ‘똑똑한 회로’ 설계
본 연구에서 최재혁 교수팀은 1mm2 미만의 모래알갱이 크기의 초소형 CMOS 반도체칩 하나가 여러 가지 기능을 동시에 수행할 수 있도록 회로를 설계하였다. 먼저 마찰전기 나노발전기에서 발생한 불규칙한 전기 신호(교류)를 반도체를 구동하고 LED를 켜는데 사용 가능한 형태(직류)로 바꿔주는 ‘정류 기능’을 넣었다. 정류된 전력은 축전지(Supercapacitor)에 저장돼 센서시스템 구동에 필요한 전력으로 쓰인다.
다음으로 전기 신호를 통해 물의 움직임 정보(물결이 표면과 접촉하는 면적, 물결의 속도 등)를 거꾸로 분석, 산출하는 기능을 추가했다. 산출된 정보는 이진수 코드를 표현하는 6개의 LED를 통해 시각적으로 표시하는 기능도 넣었다.
최재혁 교수는 “이 센서 플랫폼은 물의 움직임에서 얻은 에너지만으로 구동할 수 있는 저전력 장치”라며 “해류의 흐름이나 하천과 상하수도의 유량․유속, 빗물의 흐름, 시간당 강수량, 산업현장에서 유독액의 누출 등을 지속적으로 관측하는 환경 센서로 활용 가능하다”고 말했다.
▲물 움직임을 감지해 전기 에너지를 생산하고, 분석해 LED로 표시하는 회로 설계도: WC-TENG는 물의 움직임으로 전기를 생산하는 마찰전기 발전기다. 여기서 얻은 전기 신호를 정류해 에너지를 저장하는 회로는 Voltage Rectifier이고, 이 신호로 물의 움직임을 분석하고 LED로 표시하는 회로는 Water Motion Detector다.
▲물방울과 물질의 접촉표면의 변화 주기와 변화량에 따른 무전원 자가구동 센서 플랫폼의 LED 출력 신호: 물의 움직임을 모사하기 위에 제작된 선형 모터의 주파수와 진폭을 조정하면 물과 표면 물질의 접촉주기 및 접촉면적을 변화시킬 수 있다. 이때 발생한 교류 신호를 분석한 결과, 모터의 주파수 증가에 따라 마찰전기 발생의 주기가 감소하게 되어 2진수 LED 출력 값이 감소하는 걸 볼 수 있다 (a). 선형 모터의 진폭을 증가시켜 물방울을 더 많이 압축시킬 경우에는 접촉면적의 변화가 커지면서 마찰전기의 발생량이 증가하여 더 큰 2진수 LED 출력 값이 나타나게 된다 (b).
다양한 에너지 수확 기술에 적용 가능
이번에 개발한 집적회로 설계는 물뿐 아니라 공기, 압력, 열 등의 변화에서 에너지를 수확하는 장치에도 적용 가능하다. 불규칙한 전기 신호를 정리하고, 환경 변화 양상을 모니터링해 표시하는 원리는 동일하기 때문이다.
최 교수는 “물 이외의 다양한 주변 환경 요소의 변화를 이용해 에너지를 수확하고 환경 변화를 실시간으로 살필 수 있을 것”이라며 “LED 대신에 원격으로 외부에 정보를 전달할 수 있는 초저전력 무선통신기술 적용을 준비 중에 있으며, 본 ‘무전원 자가구동 센서시스템 기술’은 미래 환경감시 사물인터넷 실현을 위한 핵심 기술이 될 것”이라고 기대했다.
이번 연구는 미래창조과학부․한국연구재단의 기초연구사업(개인연구)와 교육부․한국연구재단 이공학개인기초연구지원사업의 지원으로 수행됐다. 연구성과는 에너지와 재료 분야의 세계적인 학술지 ‘나노 에너지(Nano Energy)’ 3월 29일자에 게재됐다.
