KAIST "외부 전력 없이 이산화탄소 실시간 모니터링 기술개발"

외부 전력 없이도 이산화탄소 농도를 실시간 측정해 무선으로 전송할 수 있는 시스템이 국내에서 개발됐다.

KAIST는 전기 및 전자공학부 권경하 교수 연구팀과 중앙대 류한준 교수팀이 공동으로 주변의 미세 진동 에너지를 수확해 이산화탄소 농도를 주기적으로 측정할 수 있는 '자가 발전형 무선 모니터링 시스템'을 개발했다고 9일 밝혔다.

(왼쪽부터) 전기 및 전자공학부 장규림 석사과정, 권경하 교수. KAIST 제공

이산화탄소는 지구온난화의 주요 원인으로 산업계의 지속가능성 평가지표로 활용된다. 유럽연합(EU)은 이미 공장 배출량 규제를 도입해 운영하고 있다. 이러한 규제 흐름에 맞춰 이산화탄소 모니터링 시스템은 환경관리와 산업공정 제어에 필수요소로 부각된다.

하지만 기존 이산화탄소 모니터링 시스템은 대부분 배터리 또는 유선 전원에 의존하는 탓에 설치 및 유지보수에 제약이 따른다. 공동연구팀이 외부 전력 없이 작동 가능한 자가 발전 무선 이산화탄소 모니터링 시스템 개발에 나선 배경도 다름 아니다.

개발한 시스템의 핵심은 산업 장비나 배관에서 발생하는 진동(20~4000㎛ 진폭, 0-300Hz 주파수 범위)을 전기로 바꾸는 '관성 구동(Inertia-driven) 마찰전기 나노 발전기(Triboelectric Nanogenerator·TENG)'다. 공동연구팀은 이를 통해 배터리 없이도 이산화탄소 농도를 주기적으로 측정하고 무선으로 전송할 수 있게 했다.

4단 적층 구조의 관성 구동 마찰전기 나노 발전기에 탄성 스프링을 결합해 미세 진동을 증폭, 공진 현상을 유도해 전력을 안정적으로 생산한 후 이산화탄소 센서와 저전력 블루투스 통신 시스템을 구동하는 데 전력을 사용하는 방식이다.

권경하 교수는 "효율적인 환경 모니터링을 위해서는 전원 제약 없이 지속적으로 작동 가능한 시스템이 필수"라며 "이번 연구는 관성 구동 마찰전기 나노 발전기로부터 생성된 에너지로 이산화탄소 농도를 주기적으로 측정해 무선으로 전송할 수 있는 자가 발전 시스템을 구현하는 데 집중됐다"고 설명했다.

그러면서 "이 기술은 향후 다양한 센서를 통합한 자가 발전형 환경 모니터링 플랫폼의 기반 기술로 활용될 수 있을 것"이라고 덧붙였다.

한편 이번 연구는 사우디 아람코-KAIST CO2 관리 센터의 지원을 받아 수행됐다. 연구 논문 제1 저자로는 KAIST 석사과정 장규림 학생과 중앙대 석사과정 다니엘 마나예 티루네(Daniel Manaye Tiruneh) 학생이 공동으로 참여했다.

대전=정일웅 기자 jiw3061@asiae.co.kr