[정보통신신문=차종환기자]

광운대 전자공학과 박재영 교수팀은 배터리 없이도 실내외 수영장 물의 특성을 실시간 무선 모니터링할 수 있는 브라키스토크론(Brachistochrone) 그릇 모양의 전원자립형 수질 모니터링 센서 IoT 플랫폼 개발에 성공했다고 밝혔다.

본 연구팀은 수질성분을 검출할 수 있는 4개의 센서를 하나의 플렉서블 기판 위에 집적했다.

센서들의 신호 처리와 블루투스 기반 데이터 무선전송에 필요한 전력을 물결의 움직임으로부터 전자기유도 기반 에너지하베스터를 적용해 생산∙공급했다. 또한 마찰전기 나노발전기를 적용한 무전원 모션센서를 이용해 물결의 움직임에 대한 상세한 정보를 실시간으로 모니터링했다.

예로, 실내외 환경에서 안전하고 건강한 수영 및 물놀이를 위해서는 정기적으로 수영장 물 성분관리가 필수적이다. 특히, 물의 pH, 염화이온 농도, 전도도, 온도 및 파동은 실시간 모니터링 및 관리해야 하는 필수 지표다. 현재 LoRa 통신, 부피가 큰 상용센서, 배터리 혹은 태양광 패널 및 풍력 터빈을 이용한 전원 공급 장치들로 구성된 수질 모니터링 시스템이 활용되고 있다.

이러한 기술은 실시간 연속 모니터링을 위해 지속적인 바람과 일광이 필요한데, 요즘 광범위하게 연구되고 있는 IoT 전원플랫폼 중 하나는 전자기 및 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 이루어지고 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 및 신호처리를 위해서는 많은 전력이 필요하다.

연구팀은 이 문제들을 해결할 수 있는 기술로 임의의 작은 기계적 움직임에서도 고출력의 전기를 생산할 수 있는 새로운 구조의 전자기유도 기반 에너지하베스팅 소자, 임의의 물결 움직임을 실시간 모니터링할 수 있는 마찰전기 기반 무전원 모션 센서, 그리고 하나의 플렉시블 기판에 4개의 수질센서를 집적해 브라키스토크론 그릇 모양으로 일체화한 전원자립형 수질 모니터링 센서 IoT 플랫폼을 개발했다.

브라키스토크론 디자인은 낮은 물결 주파수에서 자석 볼 움직임을 가장 빠른 속도로 움직이게 함으로써 4개 센서의 구동, 신호처리, 무선 데이터 전송에 충분한 72mW의 고출력의 전기를 생산했다.

연구팀은 에너지하베스터와 센서의 뛰어난 수확 및 감지 성능을 기반으로 수영장의 수질 및 물결의 움직임을 실시간으로 모니터링할 수 있는 전원자립형 수질모니터링 무선시스템과 스마트폰 앱을 성공적으로 시연했다.

전원자립형 수질 모니터링 센서플랫폼은 가까운 장래에 실내외 수영장 수질 및 해양환경 모니터링 시스템, 기상관측, 양식업 등 폭넓게 활용될 것으로 기대된다.

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