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최근 센서 소형화 및 저전력화에 따라 사물인터넷(IoT) 기술이 발전하고 관련 산업이 크게 성장하고 있다. 하지만 사물인터넷 센서의 작동, 데이터 처리, 무선통신 등에 사용되는 교체 및 충전식 전기화학 배터리는 전원공급은 탁월하지만 수명이 제한되고 재충전 및 주기적 교체가 어려운데다 배터리 폐기로 인한 환경오염 유발 등의 단점이 있다. 그로 인해 배터리 대신 독립전원으로 활용할 수 있는 반영구적 친환경 전원공급원이 필요하다.
박 교수팀은 폴리머 기반의 저강성 다중회전 원형평면 구조의 스프링을 적용해 기계·전기 변환 효율을 최적화했다. 전자기 기반 초소형 발전기(EMG)와 자체구동 마찰전기 모션센서(SP-TVS)를 하나로 집적화하여 넓은 주파수 범위의 비주기적 진동 및 충격에서 전기에너지를 효율적으로 수확하고, 차량 진동 및 도로상태에 대한 실시간 데이터를 모니터링 할 수 있도록 했다. 또, 저가 레이저 절단기술을 적용해 고분자 스프링을 쉽게 제작하고 광범위한 저주파수의 저진폭 차량유도 진동 하에서 고출력의 전기수확 및 주파수 조정이 용이하도록 설계했다. 더불어 유연한 자속 집중재를 사용해 누설자속을 최소화하여 에너지 수확효율을 높였다. 그 결과 0.1g의 아주 작은 진동에서 7.5mW, 1g의 진동에서 30mW의 출력을 나타냈다.
박 교수팀이 개발한 초소형 하이브리드 에너지하베스팅 소자의 무전원 모션센서를 이용하면 배터리 없이 차량의 진동과 도로상태 실시간 점검이 가능하고, 고출력의 에너지하베스팅 소자를 반영구적 친환경 전원으로 활용해 자동차 실내환경을 실시간으로 무선 모니터링할 수 있다. 버려지는 자동차의 진동 및 충격에서 고출력의 전기에너지를 수확함으로써 기존 전원에 대한 의존도를 줄여 미래의 자율주행 차량과 전기자동차 플랫폼을 위한 지속가능한 독립형 전원솔루션으로도 활용될 것으로 기대된다.
이 연구는 과학기술정보통신부 재원으로 한국연구재단 중견연구자 지원 및 산업통상자원부 산업기술혁신사업, 현대자동차 산학공동연구 지원사업, 광운대학교 교내연구사업 지원으로 수행됐다. 연구결과는 에너지분야의 국제 학술지인 엘시비어(Elsevier) 출판의 나노에너지(Nano Energy, 인용지수: 17.6)에 논문으로 게재됐다.
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