[첨단 헬로티]

사물인터넷(IoT) 네트워크의 핵심이었던 LPWAN(저전력장거리통신망)이 더욱 빠르게 발전할 것으로 보인다. 그간 무선 네트워크 기반 센서의 배터리 지속성이 과제였는데, 최근 이를 해결할 수 있는 기술이 개발돼서다.

최근 영남대학교 류정호 교수 연구팀(이하 연구팀)은 인체에 유해한 것으로만 인식되어져 왔던 자기장 노이즈를 활용해 전기에너지로 변환하는 기술을 개발하였다. 이 기술이 상용화되면 무선 네트워크 센서를 자율 독립전원으로 가동시킬 수 있게 된다.

▲자기장에 의해 변형이 일어나는 자왜 금속 소재(하단의 판재)와 변형에 의해 전기에너지가 발생하는 압전 소재(상단의 원자 구조가 도시된 판재)가 하이브리리 인터페이스 결합 현상을 이용해 일상의 자기장 노이즈를 전기에너지로 변환 시킬 수 있다.

자기장 노이즈는 전력선, 전자기기 등에서 발생하는 불필요한 전자기 신호로, 전기가 흐르는 도체 주변에는 항상 자기장 노이즈가 발생한다. 바꿔 말하면 항상 전기를 생성할 수도 있다는 말이다.

연구팀은 미세한 자기장 변화에 따라 늘어나거나 줄어드는 금속소인 자왜금속소재(Ga-Fe 합금)와 변형이 생기면 전기에너지를 발생시키는 압전소재를 결합하여, 일상의 자기장 변화를 전기에너지로 변환시키는 기술을 개발하였다. 

압전소재와 자왜금속소재의 결정방향에 따라 그 특성이 달라지는 원리를 활용하여 자기장에 가장 민감하게 변화하는 결정방향으로 두 소재를 제작한 뒤, 이 두 소재를 하이브리드 인터페이스 결합 기술로 에너지 변환 소자를 설계하였다. 

그리고 IoT 무선 센서를 배터리 없이 지속적으로 구동하기에 충분한 수준인 1㎽ 이상의 직류 전력을 발생시키는 데 성공하였다. 

* 결정방향(crystal orientation)은 원자의 배열이 규칙적으로 이루어진 결정질 소재에서 원자가 배열된 특정한 방향을 말한다.

* 하이브리드 인터페이스 결합은 두 가지 이상의 소재 사이에 생기는 경계면(인터페이스)에 새로운 기능을 부여하여 다양한 특성을 부가하는 기술이다.

이번 기술은 이전에 연구팀이 개발한 니켈 자왜 금속소재를 이용한 에너지 하베스팅 소자 대비 3.6배의 높은 전력을 얻을 수 있는 것으로 확인되었고, 실제 얻어지는 전력의 양은 정류회로를 거친 이후 직류 전력으로 3㎽ 이상에 달했다.

▲영남대 연구팀은 자기장 노이즈를 통한 전기에너지 생성 기술로 스마트워치를 구동하는 데 성공하였다.

연구팀은 이번 기술을 이용해서 스마트워치를 구동하는 데 성공하였다. 스마트워치는 내장되어 있는 디스플레이, 마이크로콘트롤러(MCU), 가속도, 온도, 압력 센서, 무선통신 모듈의 구동시 수 ㎽ 이상의 최대 순간 전력이 필요해서 기존의 에너지 하베스팅 소자 기술을 이용해서는 지금까지 구동에 성공한 예가 없다.

또한 드론의 전력원으로도 활용할 수 있음을 확인했다. 연구팀은 초소형 쿼드로터 드론의 리튬이온전지를 자율 독립전원 기술로 충전하여 3축 가속도 센서, 수신기, 마이크로 콘트롤러, 4개의 직류 모터를 동시에 구동시킬 수 있을 만큼의 전력에너지를 만들어 낼 수 있음을 보여준 것이다.

하이브리드 인터페이스 기반 미래소재연구단 김광호 단장과 영남대 류정호 교수는 “관련 기술에 대해 국내, 미국, 유럽, 일본, 중국에 특허권리를 확보하였다”며 “지금까지 배터리를 사용해서 동작시키던 무선 센서 네트워크를 배터리 없이 반영구적으로 구동할 수 있을 수준에 도달했다”고 설명했다. 

한편, 이 연구결과는 에너지 환경 분야 학술지인 ‘Energy & Environmental Science’의 4월호 전면 표지논문으로 게재되었다.