전력 공급 없이도 실시간 온실가스 감시한다

시사위크=박설민 기자  국내 연구진이 외부 전력 없이도 이산화탄소 농도의 실시간 측정과 무선 전송이 가능한 모니터링 시스템을 개발했다. 전력 공급이 어려운 극한 지역과 위험한 산업 현장 등에서 효과적인 온실가스 감축 및 연구에 큰 보탬이 될 전망이다.

한국과학기술원(KAIST)은 권경하 전기및전자공학부 교수팀이 주변의 미세 진동 에너지를 수확해 주기적인 이산화탄소 농도 측정이 가능한 ‘자가발전형 무선 모니터링 시스템’을 개발했다고 9일 밝혔다. 이번 연구는 중앙대학교 류한준 교수팀과 공동 진행했다.

지구온난화의 주요 원인인 이산화탄소 배출은 산업계의 지속가능성 평가 지표로 자리 잡고 있다. 유럽연합(EU)은 이미 공장 배출량 규제를 도입한 상태다. 이러한 규제 흐름 속에서 효율적이고 지속 가능한 이산화탄소 모니터링 시스템은 환경 관리와 산업 공정 제어에 필수다.

그러나 기존 이산화탄소 모니터링 시스템은 대부분 배터리나 유선 전원에 의존한다. 때문에 설치와 유지보수에 제약이 따른다. 이에 KAIST 연구팀은 이 문제를 해결하고자 외부 전력 없이 작동 가능한 자가발전 무선 이산화탄소 모니터링 시스템을 개발했다.

이번 시스템의 핵심은 산업 장비나 배관에서 발생하는 진동(20~4000㎛ 진폭, 0-300 Hz 주파수 범위)을 전기로 바꾸는 ‘관성 구동 마찰전기 나노발전기’다. 이를 통해 배터리 없이도 이산화탄소 농도를 주기적으로 측정하고 무선으로 전송할 수 있다. 쉽게 말해 주변의 미세 진동 에너지를 모아 전기로 바꾸는 것이다.

연구팀은 4단 적층 구조의 관성 구동 마찰전기 나노발전기(TENG)에 탄성 스프링을 결합해 미세 진동을 증폭시키고 공진 현상을 유도했다. 그 결과 13Hz, 0.56g의 가속도 조건에서 0.5mW의 전력을 안정적으로 생산하는 데 성공했다. 생산된 전력은 이산화탄소 센서와 저전력 블루투스 통신 시스템을 구동하는 데 사용됐다.

권경하 교수는 “효율적인 환경 모니터링을 위해서는 전원 제약 없이 지속적으로 작동 가능한 시스템이 필수”라며 “이번 연구에서는 관성 구동 마찰전기 나노발전기(TENG)로부터 생성된 에너지를 바탕으로 주기적으로 이산화탄소 농도를 측정하고 무선으로 전송할 수 있는 자가발전 시스템을 구현했다”고 설명했다. 

이번 연구 성과는 국제학술지 ‘나노 에너지(Nano Energy)’에 6월 1일 자로 게재됐다. 연구는 ‘사우디 아람코-KAIST CO₂ 관리 센터’의 지원을 받아 수행됐다.