▲ TENG 에너지 하베스트 기반 무선 CO2 센싱 시스템 구동 결과 / (c) 실험 환경 셋업 (d) 실제 CO2 측정 결과(그림=KAIST)  © 특허뉴스

배터리나 외부 전원 없이도 이산화탄소(CO2) 농도를 실시간으로 측정하고 무선으로 전송하는 혁신적인 기술이 국내 연구진에 의해 개발되어 환경 모니터링 분야에 새로운 지평을 열었다. KAIST 전기및전자공학부 권경하 교수 연구팀은 중앙대학교 류한준 교수팀과 협력하여 마찰전기 나노발전기(TENG)를 기반으로 한 자가발전형 무선 이산화탄소 모니터링 시스템 개발에 성공했다고 9일 밝혔다.

기후 변화와 지구온난화의 주범인 이산화탄소 배출량 관리는 전 세계적인 과제이며, 특히 유럽연합(EU)의 공장 배출량 규제와 같이 산업계의 지속가능성 평가 지표로 자리 잡고 있다. 이에 따라 효율적이고 지속 가능한 이산화탄소 모니터링 시스템은 환경 관리 및 산업 공정 제어에 필수적인 요소로 주목받고 있다.

그러나 기존 모니터링 시스템은 대부분 배터리나 유선 전원에 의존해 설치 및 유지보수에 제약이 따르는 문제가 있었다. KAIST 연구팀은 이 한계를 극복하기 위해 주변의 미세 진동 에너지를 수확하여 전력으로 변환하는 '관성 구동 마찰전기 나노발전기(TENG)'를 시스템의 핵심 동력원으로 활용했다. 산업 장비나 배관에서 발생하는 미세한 진동(20~4000㎛ 진폭, 0-300 Hz 주파수 범위)을 전기로 변환하여, 배터리 교체나 유선 연결 없이도 이산화탄소 농도를 주기적으로 측정하고 무선으로 전송할 수 있게 된 것이다.

연구팀은 4단 적층 구조의 TENG에 탄성 스프링을 결합하여 미세 진동을 증폭시키고 공진 현상을 유도하는 데 성공했다. 이를 통해 13Hz, 0.56g의 가속도 조건에서도 0.5㎽의 전력을 안정적으로 생산할 수 있었으며, 이 전력은 이산화탄소 센서와 저전력 블루투스 통신 시스템을 구동하는 데 충분했다.

권경하 교수는 "효율적인 환경 모니터링을 위해서는 전원 제약 없이 지속적으로 작동 가능한 시스템이 필수적"이라며, "이번 연구를 통해 관성 구동 TENG로부터 생성된 에너지로 이산화탄소 농도를 주기적으로 측정하고 무선으로 전송하는 자가발전 시스템을 구현했다"고 설명했다. 또한, 그는 "이 기술은 향후 다양한 센서를 통합한 자가발전형 환경 모니터링 플랫폼의 기반 기술로 활용될 수 있을 것"이라며 기대감을 표했다.

이번 연구 결과는 KAIST 장규림 석사과정 학생과 중앙대 다니엘 마나예 티루네 석사과정 학생이 공동 제1저자로 참여했으며, 에너지 분야 국제 저명 학술지 나노 에너지(Nano Energy, IF 16.8) 6월 1일 자에 게재되어 그 우수성을 인정받았다. 이 기술은 유해 환경 모니터링 및 지속 가능한 이산화탄소 관리에 획기적인 전환점이 될 것으로 기대된다.

논문명은 Highly compact inertia-driven triboelectric nanogenerator for self-powered wireless CO2 monitoring via fine-vibration harvesting이다.