[스마트경제=복현명 기자] 박재영 광운대학교 전자공학과 교수 연구팀이 베터리 없이도 실내외 수영장 물의 특성 (염화이온, pH, 온도, 전도도, 물결(수파) 움직임)을 실시간 무선 모니터링할 수 있는 브라키스토크론(Brachistochrone) 그릇 모양의 전원자립형 수질 모니터링 센서 IoT 플랫폼 개발에 성공했다.
연구팀은 수질성분을 검출할 수 있는 4개의 센서를 하나의 플렉시블 기판위에 집적화한 후 센서들의 신호 처리와 블루투스 기반 데이터 무선전송에 필요한 전력을 움직임으로부터 전자기유도 기반 에너지하베스터를 적용해 물결의 움직임으로부터 생산해 공급했고 마찰전기 나노발전기를 적용한 무전원 모션센서를 이용해 물결의 움직임에 대한 상세한 정보를 실시간으로 모니터링했다.
실내, 실외 환경에서 안전하고 건강한 수영 및 물놀이를 위해서는 정기적으로 수영장 물 성분관리가 필수적이다.
특히 물의 pH, 염화이온 농도, 전도도, 온도, 파동은 실시간 모니터링 및 관리해야 하는 필수 지표이다.
현재는 LoRa 통신, 부피가 큰 상용센서, 베터리 혹은 태양광 패널, 풍력 터빈을 이용한 전원 공급 장치들로 구성된 수질 모니터링 시스템이 활용되고 있다.
그러나 이러한 기술은 실시간 연속 모니터링을 위해 지속적인 바람과 일광이 필요하다.
요즘 광범위하게 연구되고 있는 IoT 전원플랫폼 중 하나는 전자기, 마찰 전기 원리를 기반으로 연속적인 물결의 움직임으로부터 고출력의 전기를 수확할 수 있는 친환경 에너지하베스팅 기술이다.
따라서 고출력의 전기를 수확하기 위해 구형, 타원체, 부표 모양과 같은 다양한 기하학적 구성을 기반으로 하는 진동 에너지하베스팅 기술개발이 이뤄지고 있다. 그러나 임의의 저주파 물결에서의 성능은 물결 동역학을 에너지 변환과 밀접하게 동기화하는 데 대한 기하학적 제한으로 인해 고출력을 얻는데 한계가 있었다. 또한 상용 수질 센서들과 물결 모션센서의 구동, 신호처리를 위해서는 많은 전력이 필요하다.
본 연구팀은 위의 문제들을 해결할 수 있는 기술로 임의의 작은 기계적 움직임에서도 고출력의 전기를 생산할 수 있는 새로운 구조의 전자기유도 기반 에너지하베스팅 소자, 임의의 물결 움직임을 실시간 모니터링 할 수 있는 마찰전기 기반 무전원 모션 센서, 그리고 하나의 플렉시블 기판에 4개의 수질센서 (pH, 염화이온, 온도, 전도성)를 집적화하여 브라키스토크론(Brachistochrone) 그릇 모양으로 일체화한 전원자립형 수질 모니터링 센서 IoT 플랫폼 개발에 성공했다.
Brachistochrone 디자인은 낮은 물결 주파수(<4Hz, 0.5g)에서 자석 볼 움직임을 가장 빠른 속도로 움직이게 함으로써 4개 센서의 구동, 신호처리, 무선 데이터 전송에 충분한 72mW의 고출력의 전기를 생산했다.
무전원 물결 모션 센서의 경우 PVDF/MXene, 구리를 전하 생성, 수집 층으로 구성하는 4개의 부채꼴 모양의 마찰전기 나노발전기를 자석의 움직임에 의해 작동될 수 있도록 Brachistochrone 그릇 내부에 집적화했다.
본 연구팀이 개발한 플렉시블 수질 센서는 우수한 pH(-60.71mV/pH), 온도(2.5Ω/°C), 염화이온(0.355mV/ppm), 전도도(3.25 × 10-5μS/ppm), 파동(1.27V/ Hz) 감도를 나타냈다.
제작된 에너지하베스터와 센서의 뛰어난 수확, 감지 성능을 기반으로 수영장의 수질, 물결의 움직임을 실시간으로 모니터링 할 수 있는 전원자립형 수질모니터링 무선시스템과 스마트폰 앱을 성공적으로 시연했다.
전원자립형 수질 모니터링 센서플랫폼은 가까운 장래에 실내외 수영장 수질, 해양환경 모니터링 시스템, 기상관측, 양식업 등 폭넓게 활용될 것으로 기대된다.
이번 연구는 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단 중견연구자 지원(NRF-2020R1A2C2012820), 산업통상자원부의 산업기술혁신사업(RS-2022-00154983,?저전력 센서와 구동을 위한 자립형전원 센서 플랫폼 개발)의 지원으로 수행됐고 연구 결과는 세계 최고의 에너지기술 전문 저널인 Wiley 출판의 어드밴스드 에너지 머티리얼즈 (Advanced Energy Materials, IF: 29.698)에 게재, 표지논문으로 선정됐다.
복현명 기자 hmbok@dailysmart.co.kr
