^*이번 보도자료는 한국연구재단 주관으로 작성 및 배포됐음을 알려드립니다.

*센서 플랫폼: 다양한 센서의 구동에 범용적으로 사용할 수 있는 하드웨어 장치

*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

*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

[붙임] 논문의 주요 내용

[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

ㅇ 자연환경의 작은 변화를 지속적으로 모니터링하고, 획득한 데이터를 처리하고, 이를 표시해줄 수 있는 센서 플랫폼은 미래 IoT 시스템의 핵심이다. 다양한 주변 환경에서 센서가 유선을 통하여 외부로부터 전원을 공급받거나, 많은 수의 개별 센서의 배터리를 주기적으로 교체한다는 것은 현실적으로 불가능하다.

ㅇ 센서 플랫폼이 반영구적으로 주변 환경을 모니터링하며 동작하기 위해서는 주변환경에서 일어나는 물리적인 현상을 통해 센서 플랫폼 구동에 필요한 에너지를 자체 수확하고 이를 외부 전원공급이나 배터리 없이 실시간으로 지속하게 하는 기술이 필수적이다.

2. 연구내용

ㅇ 이 연구에서는 다양한 주변환경요소 중 “물”을 대상으로 하여 연구를 진행하였다. 물이 표면에 접촉 시, 접촉하는 표면 면적의 변화 및 주기 변화에 따라 발생하는 전기에너지를 수확하고 이를 정류하여 스스로 구동할 수 있는 에너지를 획득함과 동시에 수확한 전기에너지의 개별 양상을 실시간으로 분석하여 물의 움직임 정보를 관측, 분석, 표시할 수 있는, “외부전원 없이도 지속가능한 자가구동 물움직임 모티터링시스템” 개념을 제안하고 이를 실제 구현할 수 있는 통합 센서 플랫폼을 개발하였다.

ㅇ 이 센서 플랫폼은 크게 물의 동적인 움직임으로 인해 고체 표면과 물의 상호 접촉 면적 변화로부터 전기를 발생시키는 마찰대전 나노발전기(Triboelectric nanogenerator)와 발생하는 전기를 수확하고 이를 이용하여 실시간 데이터 분석을 수행하는 CMOS기반 회로시스템, 그리고 분석된 데이터를 6자리의 2진수 코드로 표현할 수 있는 6개의 LED로 구성된다. 전기 에너지를 수확하고 데이터를 분석하는 회로, 분석 정보를 실시간으로 외부에 전달해주는 LED 등은 별도의 전원 공급 없이 나노발전기에서 발생하는 에너지만을 이용하여 전체 플랫폼을 구동할 수 있다.

ㅇ 이를 통해 미량의 물방울이 주기적으로 가해지는 외부의 힘에 따라 모양이 미세하게 변할 때, 접촉 표면적의 변화에 따라 발생하는 전기에너지를 수확하고, 이를 분석하여 외부에 물방울의 움직임을 실시간으로 전달해 줄 수 있는 시스템을 구현하였으며, 개발 시스템이 다양한 물방울 변형 형태-주기에 따라 안정적으로 작동할 수 있음을 검증하였다.

3. 기대효과

ㅇ 이 연구에서 개발된 기술은 해류의 흐름, 하천 혹은 상․하수도에서의 유량 및 유속, 빗물의 흐름, 시간당 강수량, 또는 액체의 유출 등을 지속적으로 관측하는 환경 센서 및 산업 현장에서의 무전원 유체 모니터링 시스템에 적용될 수 있다.

ㅇ 또한, 전체적인 시스템의 개념을 확장하여, 물 이외의 다양한 주변환경요소의 변화를 이용하여 에너지를 수확하고 동시에 그 환경 변화를 실시간으로 관찰하여 분석하고 정보를 전달 할 수 있는, 미래 IoT 센서 시스템의 선례로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

[붙임] 연구 이야기

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

4차 산업에서 떠오르는 분야인 IoT 시스템이나 신재생 에너지 등 여러 산업 분야에서 센서는 장치나 기계, 시스템 등의 상황을 분석하고 효율적으로 동작시키기 위해 필수불가결한 요소다. 이러한 산업 분야나 연구에서는 외부 환경을 분석하는 센서 자체의 민감도 및 안정성 향상을 목적으로 대부분의 연구가 지속되어 왔기에 별도의 에너지 공급이 불가피했다. 이러한 센서를 물방울을 이용하여 에너지를 생성하는 WC-TENG 에너지 수확 소자와 연계하여 플랫폼화 할 경우 물의 움직임을 통해 에너지를 수확하고 이를 전기 에너지로 저장함과 동시에, 발생 에너지의 전기 신호를 실시간으로 분석하여 물의 움직임을 감지할 수 있는 무전원 센서 시스템을 구축할 수 있으리라는 아이디어에서 연구를 시작하였다. 이는 타겟 객체의 움직임에서 센서에 필요한 모든 에너지를 생성함과 동시에 감지까지 동시에 수행할 수 있는 플랫폼이므로 이의 개발을 목표로 연구를 수행하게 되었다.

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

본 연구에 참여한 두 기관 중 고려대학교에서는 주변의 움직임을 통해 에너지를 수확하고 전기신호를 생성하는 기반 소자 개발 기술에 중점을 두었고, UNIST에서는 에너지를 정류하여 센서의 IC 칩을 구동시킴과 동시에 신호를 분석하여 LED를 통해 외부에 전달해주는 시스템 개발을 주로 수행하는 형태로 진행하였다. 기반 소자와 시스템 개발의 초기 연구가 진행 된 후, 두 기술의 융합을 통해 최적의 무전원 센서 플랫폼을 구축할 수 있었다.

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소가 있었다면 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

연구의 최종 목표를 달성하기 위해서는 WC-TENG과 CMOS IC 칩을 동시에 융합하여 정상적으로 작동시킬 수 있는 플랫폼의 구축이 필요했다. 초기 단계에서는 개별적으로 성능을 최적화하기도 해야 하고, 연구의 후반부에는 두 개의 기반소자와 분석 시스템 간의 최적화 진행도 필수였기에 많은 시간을 소모 할 수밖에 없었다. 하지만 두 기관간의 신뢰 및 능동적은 의견 교환 등을 여러 어려움을 극복하고 초기에 구상했던 플랫폼을 성공적으로 구현 할 수 있었다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

기존의 연구에서는 센서를 외부의 전력원과 외부 분석 장치로만 구동시키는 데에 그쳤지만 신재생 에너지 수확 장치를 센서로 이용하여 센서가 외부 환경에 의해 전기 신호를 생성하여 그것을 분석함과 동시에 그 에너지로 센서를 분석할 에너지를 얻고 여분의 에너지는 별도로 저장할 수 있는 통합 센서 플랫폼을 만들었다. 이를 통해 외부의 전력원이 전혀 필요 없을 뿐만 아니라 센서의 교류 에너지를 정류하여 저장할 수 있고 저전력의 분석 전기회로 칩을 사용하여 지속 가능하면서 여분의 에너지를 에너지 생성 양상의 변화에 대비하여 저장 할 수 있다는 장점이 있다.

□ 꼭 이루고 싶은 목표와, 향후 연구계획은?

이 연구에서 연구하지 않은 다른 방식의 에너지 수확 장치를 이용하여 물과의 접촉뿐만 아니라 바람, 햇빛 등의 자연 에너지원을 이용한 센서 플랫폼과 2차원의 격자 미세전극 배열을 통해 각 전극 격자에서 물방울이 각각 접촉하였을 때 독립적으로 에너지를 생산하고 물방울 접촉을 감지할 수 있는, 보다 개선된 센서 플랫폼을 연구할 계획이다.

□ 꼭 이루고 싶은 목표와, 향후 연구계획은?

이 연구에서 연구하지 않은 다른 방식의 에너지 수확 장치를 이용하여 물과의 접촉뿐만 아니라 바람, 햇빛 등의 자연 에너지원을 이용한 센서 플랫폼과 2차원의 격자 미세전극 배열을 통해 각 전극 격자에서 물방울이 각각 접촉하였을 때 독립적으로 에너지를 생산하고 물방울 접촉을 감지할 수 있는, 보다 개선된 센서 플랫폼을 연구할 계획이다.

□ 기타 특별한 에피소드가 있었다면?

이 연구의 두 교신저자인 최원준 교수(고려대학교), 최재혁 교수(UNIST)는 고등학교 때부터 친구로 지내왔으며, 미국에서 박사를 받은 후 비슷한 시기에 한국의 대학에서 교수로 연구를 시작했다. 각각 기계공학과 전자공학을 전공하였기에 연구 분야가 상이하지만, 서로 간의 기술을 융합하여 새로운 연구를 진행해보자는 목표 하에 연구 아이디어를 위한 회의를 수차례 진행하였으며, 이러한 계기를 통해 서로의 연구 분야 기술을 활용한 새로운 플랫폼을 개발할 수 있었다. 이 과정에서 오랫동안 지속해 온 상호간의 신뢰관계가 있었기에, 서로 다른 전공의 연구 분야를 이해하고 성공적인 융합연구 결과로 마무리 지을 수 있었다.

[붙임] 용어설명

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.

[붙임] 그림 설명