전자공학과 박재영 교수, 초소형 무전원 모션 센서 시스템 개발 

 “박재영 교수 연구팀, 배터리 없이 물체의 움직임 정보를

쉽게 모니터링 할 수 있는 무전원 센서 개발”

- 영구자석 간 반발력으로 생산되는 전자기 유도 및 마찰전기를 이용하여 물체의 움직임 정보를 무선으로 실시간 모니터링

  및 제어할 수 있는 초소형 무전원 모션 센서 시스템 개발

- 미래의 지능형 로봇, 드론, VR/AR, 자율주행 자동차, 의료 및 군수산업 등에 응용 가능성 기대

전자공학과 박재영 교수팀이 영구자석 간 반발력과 전자기 유도 및 마찰전기를 이용하여 배터리 없이도 물체의 움직임을 무선(RF)으로 모니터링 할 수 있는 무전원 모션 센서 시스템 개발에 성공했다.

개발된 센서는 방향에 따른 뛰어난 모션 감지 특성을 나타낼 뿐만 아니라 주파수, 가속도, 각속도, 기울임 등 임의의 물체 움직임에 대한 상세한 정보를 얻을 수 있어서 지능형 로봇, 드론, VR/AR, 자율 주행 자동차, 웨어러블 기기 등 다양한 산업 분야에 응용될 수 있다.

물체의 움직임과 위치 정보를 실시간으로 수집 및 제어 할 수 있는 관성 및 모션 센서는 로봇, 컴퓨터 게임, 자동차, 스마트폰, 스포츠, 의료, 군수 등 여러 산업 분야에서 활용도가 매우 높기 때문에 4차산업혁명을 선도하는 핵심기술로 평가되고 있다.

기존의 가속도계 및 자이로 스코프와 같은 상용 관성 센서는 높은 정확도를 보이지만 센서를 동작 시키고 정보를 전송하기 위하여 이차전지와 같은 외부 전원 공급 장치가 반드시 필요하며, 하나의 센서만으로 물체의 움직임 정보(방향과 기울기, 속도, 가속도 등)를 측정할 수 없다는 단점이 있다. 또한 이차전지는 제한된 수명으로 인하여 주기적인 교체 및 유지보수가 꼭 필요하며, 폐기 시 환경 오염 문제를 야기한다.

본 연구팀은 위의 문제들을 해결할 수 있는 기술로 작은 기계적 움직임으로부터 전기를 생산하는 친환경 에너지 수확 기술을 적용하여 임의의 물체 움직임을 실시간 모니터링 할 수 있는 무전원 모션 센서 칩 개발과 배터리 없이 무선으로 센서 데이터를 전송하는데 성공하였다.

가장 활발하게 연구가 이루어지고 있는 에너지 수확 기술에는 압전, 전자기, 마찰전기 에너지 수확 기술이 있으며, 이들 중 낮은 전압에 비해 상대적으로 높은 전류를 출력하는 전자기 에너지 수확 기술과 낮은 전류에 비해 상대적으로 높은 전압을 출력하는 마찰전기 에너지 수확 기술을 결합한 전자기-마찰전기 하이브리드 에너지 수확 기술이 상용화 가능성이 가장 높은 고출력 발전 기술로 평가되고 있다.

본 연구팀이 세계 최초로 개발한 초소형 무전원 모션 감지 및 실시간 모니터링 센서 시스템은 물체의 움직임 (방향 (x축, y축, z축), 가속도, 각속도(피치, 롤, 요), 기울기 등)을 배터리 없이 실시간으로 측정할 수 있는 4개의 자기센서 (자석 간 반발력을 이용하기 위한 중앙에 한 개의 큰 자석, 코너에 4개의 작은 코일과 자석으로 구성됨), 측정된 센서의 정보를 무선으로 송수신하기 위해 필요한 전력을 생산하는 하이브리드 에너지 수확기 (중앙에 한 개의 큰 자석과 코일로 구성된 전자기력기반 에너지 수확기와 알루미늄과 테플론 필름으로 구성된 마찰전기 에너지 수확기)를 하나의 디바이스 칩으로 구현하였고, 마이크로 컨트롤러 (MCU)와 저전력 블루투스 칩을 결합하여 무선통신 모듈로 구성되었다. 본 연구팀은 제작된 무전원 센서 시스템을 이용하여 선형 움직임, 기울임, 회전 운동과 같은 다양한 움직임을 스마트폰과 자체 개발한 앱을 이용하여 감지 및 실시간 모니터링하는데 성공하였다.

제작된 전자기력 기반 에너지 수확기는 500 Ω의 부하저항에서 27 mW, 마찰전기 기반 에너지 수확기는 0.8 MΩ의 부하저항에서 56 μW 의 전력을 생산하였으며, 470 μF 용량의 커패시터를 5초 동안에 3.8 V의 전압을 충전하는데 성공하였다. 또한, 제작된 4개의 자기 센서는 선형 움직임 및 기울임에서 981.33 mV？g-1, 9.58 mV？deg-1의 고민감도를 나타내었다.

이번 연구는 과학기술정보통신부의 바이오·의료 기술개발사업 (NRF-2017M3A9F1031270)의 지원으로 수행되었고, 연구 결과는 세계 최고의 재료 연구 전문 저널인 Wiley 출판의 어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈 (Advanced Functional Materials, IF: 16.836, Volume 30, Issue 36, September 3, 2020)에 게재 및 커버 이미지로 선정되었다.

Web link : http://doi.org/10.1002/adfm.202003276

  <저널 커버 이미지 및 무전원 모션(Motion) 센서의 (a) 개념도 와 (b) 저전력 블루투스를 이용한 실시간 모션 데이터 전송 사진>