자연환경의 작은 변화를 지속적으로 모니터링하고, 획득한 데이터를 처리·표시해줄 수 있는 센서 플랫폼은 미래 IoT(사물인터넷) 시스템의 핵심이다. 하지만 지속적으로 전력을 공급할 수 있는 마땅한 방법이 없다는 점이 이 기술 보급에 가장 큰 걸림돌로 작용하고 있다. 다양한 주변 환경에서 센서가 유선을 통해 외부로부터 전원을 공급받거나, 많은 수의 개별 센서의 배터리를 주기적으로 교체한다는 것이 현실적으로 불가능하기 때문이다.
최재혁 울산과학기술원(UNIST) 교수, 최원준 고려대 교수로 이뤄진 공동연구팀이 이 같은 문제를 풀어갈 해법을 제시했다. 연구팀은 외부에서 전원을 공급하지 않아도 스스로 주변 환경 변화를 모니터링해 정보를 제공하는 '센서 플랫폼'을 개발했다고 16일 밝혔다.
연구팀은 다양한 주변환경요소 중 '물'을 대상으로 연구를 진행했다. 물이 표면에 접촉 시, 접촉하는 표면 면적의 변화 및 주기 변화에 따라 발생하는 전기에너지를 수확하고, 이를 정류해 스스로 구동할 수 있는 에너지를 획득하도록 한 것. 이와 함께 수확한 전기에너지의 개별 양상을 실시간으로 분석해 물의 움직임 정보를 관측·분석·표시할 수 있는 '외부전원 없이도 지속가능한 자가구동 물 움직임 모티터링시스템' 개념을 제안하고, 이를 실제 구현할 수 있는 통합 센서 플랫폼을 만들었다.
이 플랫폼은 크게 물의 동적인 움직임으로 인해 고체 표면과 물의 상호 접촉 면적 변화로부터 전기를 발생시키는 마찰대전 나노발전기, 발생하는 전기를 수확하고 이를 이용해 실시간 데이터 분석을 수행하는 상용 상보성 금속 산화막 반도체(CMOS) 기반 회로시스템, 분석된 데이터를 6자리의 2진수 코드로 표현할 수 있는 6개의 LED로 구성돼 있다.
'마찰대전 나노발전기'는 물질이 특정한 고체 표면과 마찰할 때 전기가 생성되는 장치, '상용 상보성 금속 산화막 반도체'는 마이크로프로세서, 메모리 등의 디지털 회로뿐만 아니라, 아날로그·RF 회로의 제작에도 널리 사용되는 P형과 N형의 트랜지스터로 구성된 집적 회로 공정의 한 종류이다.
전기 에너지를 수확하고 데이터를 분석하는 회로, 분석 정보를 실시간으로 외부에 전달해주는 LED 등은 별도의 전원 공급 없이 나노발전기에서 발생하는 에너지만을 이용해 전체 플랫폼을 구동할 수 있다고 연구팀은 설명했다.
최재혁 교수는 "미량의 물방울이 주기적으로 가해지는 외부의 힘에 따라 모양이 미세하게 변할 때 접촉 표면적의 변화에 따라 발생하는 전기에너지를 수확하고, 이를 분석해 외부에 물방울의 움직임을 실시간으로 전달해 줄 수 있는 시스템을 구현한 것"이라고 설명했다.
최원준 교수는 "이번에 개발한 센서 플랫폼은 해류의 흐름, 하천 혹은 상·하수도에서의 유량 및 유속, 빗물의 흐름, 시간당 강수량, 액체의 유출 등을 지속적으로 관측하는 환경 센서, 산업 현장에서의 무전원 유체 모니터링 시스템 등에 적용할 수 있다"고 말했다.