박재영 교수팀, 배터리 없이 작동하는 해양환경 모니터링 센서플랫폼 개발

- 임의의 작은 파도에서도 고출력의 전기를 생산할 수 있는 타원 구조의 전자기유도 기반

자립형 전원 플랫폼 개발 -

- 파도의 상세 정보를 실시간 모니터링 할 수 있는 마찰전기 기반 무전원 센서 개발 -

- 기후예측, 양식업, 해양 수질 및 환경, 해양 생태계 주기적 모니터링 및 관리 등에 활용 -

본교 박재영교수팀(전자공학과)은 전자기 유도 및 마찰전기 원리를 이용하여 배터리 없이도 해양수질 및 환경을 실시간으로 모니터링 할 수 있는 전원자립형 센서플랫폼 개발에 성공했다. 본 연구팀은 낮은 주파수의 작은 크기의 파도에서도 수온, 염분, pH, 습도 센서 등의 신호 처리와 블루투스 기반 데이터 전송에 필요한 전력을 전자기유도 기반 에너지하베스팅 소자로 생산하였고, 마찰전기 기반 무전원 모션센서를 이용하여 주파수, 가속도, 각속도, 기울임 등 임의의 파도 움직임에 대한 상세한 정보를 실시간으로 모니터링하였다.

현재는 예상치 못한 파도 활동을 포함한 해양환경에 대한 적시 예측 및 경보를 위해 GPS, 가속도계 부표, 자력계, 수중 차량 등과 같은 다양한 기술이 적용되고 있다. 그러나 이러한 기술들은 많은 센서부품과 복잡한 장치가 필요하고, 실시간 데이터 수집 및 전송을 위해서는 이차전지와 같은 별도의 전원이 필요하다. 하지만, 이차전지는 제한된 수명으로 인하여 주기적인 교체 및 유지보수가 꼭 필요하며, 폐기 시 환경 오염의 문제가 발생하고 있다. 또한 주파수, 가속도, 파고, 진폭, 파동의 방향, 파동 지속시간 등 파동의 각 매개변수를 실시간 모니터링하기 위해서는 많은 센서의 통합과 막대한 전력을 필요로 한다.

본 연구팀은 위의 문제들을 해결할 수 있는 기술로 임의의 작은 기계적 움직임에서도 고출력의 전기를 생산할 수 있는 새로운 구조의 전자기유도 기반 에너지하베스팅 소자와 임의의 파도 및 물체 움직임을 실시간 모니터링 할 수 있는 마찰전기 기반 무전원 모션 센서가 일체화된 전원자립형 센서플랫폼 개발에 성공하였다. 타원 표면파 특성을 모방한 타원형의 플랫폼에 직렬로 연결된 6개의 전자기 유도 기반 에너지하베스팅 소자를 제작하여 임의의 파도에서도 6 DOF 전기에너지를 생성할 수 있도록 하였다. 원통형, 입방체 및 구형 발전기와 같은 다양한 기하학적 구성에 기반한 이전 연구와 비교하여 타원형 구조는 내부 자기 볼이 훨씬 쉽게 더 빨리 움직일 수 있도록 하여 에너지 수확 효율을 크게 향상시켰다. 또한 4개의 자기력으로 구동되는 고감도 마찰 전기 기반 무전원 파동 모션 센서를 타원체의 4면을 따라 제작하여, 파도 높이, 파장, 파도 지속 시간, 파도 가속도, 파도 방향 및 파도 주파수와 같은 다양한 파도 매개변수를 우수한 정확도로 감지할 수 있도록 하였다.

본 연구팀이 제작한 전자기유도 기반 에너지하베스팅 소자는 3Hz에서 106mW(1587.56Wm-3)의 고출력을 나타냈고, 무전원 센서는 우수한 주파수(34.6V/Hz) 및 가속도(39.94V/g) 감도를 보여주며 선형, 회전(시계 방향 및 반시계 방향), 기울림 및 롤링 모션 조건에서 모션 방향을 쉽게 구별할 수 있었다. 또한 센서 신호처리, 마이크로컨트롤러(MCU), 무선전송회로(Bluetooth)와 통합하여 전원자립형 해양환경 모니터링 센서플랫폼으로 구현하여 성공적으로 시연하였다. 전원자립형 파도 모니터링 센서플랫폼은 가까운 장래에 스마트 해양수질 및 환경 모니터링 시스템, 기상관측, 양식업 등 폭넓게 활용될 것으로 기대된다.

이번 연구는 연구재단 중견연구과제(NRF-2020R1A2C2012820)의 지원으로 수행되었고, 연구 결과는 세계 최고의 에너지기술 전문 저널인 Wiley 출판의 어드밴스드 에너지 머티리얼즈 (Advanced Energy Materials, IF: 29.368)에 게재 및 커버 이미지로 선정되었다.

Web link: https://doi.org/10.1002/aenm.202270025

<전원자립형 파도 모니터링 센서플랫폼 및 주요 성능 그래프>

<저널 표지사진>