마찰전기 나노발전기 기반 기술…산업 현장·스마트시티 환경 모니터링의 판도 바꾼다
KAIST 연구진이 외부 전력 공급 없이도 이산화탄소(CO₂) 농도를 실시간으로 측정하고 무선 전송할 수 있는 자가발전형 모니터링 시스템을 세계 최초로 구현했다. 이 기술은 향후 탄소 배출 관리, 산업 안전, 스마트 팩토리 구축 등에 획기적인 전환점을 제공할 전망이다.
KAIST 전기및전자공학부 권경하 교수 연구팀은 중앙대학교 류한준 교수팀과 공동으로, 산업 환경 속 미세 진동 에너지를 수확해 전기로 전환하고, 이를 기반으로 이산화탄소를 주기적으로 측정·전송하는 자가발전형 무선 시스템을 개발했다고 9일 밝혔다.
이번 시스템의 핵심 기술은 ‘관성 구동 마찰전기 나노발전기(Inertia-driven Triboelectric Nanogenerator, TENG)’로, 산업 장비나 배관에서 발생하는 미세 진동(20~4000㎛ 진폭, 최대 300Hz)을 전력으로 변환한다. 이 전력은 CO₂ 센서와 저전력 블루투스 통신 모듈을 구동하는 데 사용되며, 별도의 배터리나 유선 전원이 필요 없다.
13Hz 진동 조건서 0.5mW 출력 확보…정확도도 DC 시스템과 동일
연구진은 스프링과 4단 적층 구조의 TENG를 결합해 진동 에너지를 증폭시키는 방식으로 0.5mW의 안정적인 출력을 확보했다. 이 시스템은 첫 충전 이후 약 70분 주기로 CO₂ 농도를 측정하며, 실험 결과 배터리 기반 시스템과 동등한 정확도를 보였다. 측정값은 BLE(저전력 블루투스)를 통해 스마트폰 앱으로 실시간 전송된다.
권 교수는 “이산화탄소뿐 아니라 다양한 환경 센서와 결합하여 완전 자율형 환경 모니터링 플랫폼의 핵심 기술로 확장될 수 있다”며 “전원 인프라 구축이 어려운 산업 현장이나 원격지에서도 지속 가능한 환경 데이터 수집이 가능해졌다”고 설명했다.
지구온난화와 EU의 강화된 환경 규제로 인해 산업현장의 CO₂ 배출 감시는 기업의 필수 조건이 되고 있다. 하지만 기존 유선·배터리 기반 모니터링 시스템은 설치와 유지보수 비용이 높고, 원격지에서는 적용이 어려웠다. KAIST의 이번 기술은 이러한 한계를 극복하고, 탄소 중립 정책 이행을 뒷받침하는 실질적 해법으로 떠오르고 있다.
국제 시장조사에 따르면 CO₂ 센서 시장은 2032년까지 약 25억 달러 규모로 성장할 것으로 전망된다. 이번 연구는 에너지 하베스팅 기술이 센서 산업의 새로운 동력으로 작용할 수 있음을 보여주는 대표적 사례다.
이번 연구 성과는 KAIST 장규림 석사과정생과 중앙대 다니엘 마나예 티루네 석사과정생이 공동 제1저자로 참여했으며, 세계적 나노에너지 분야 권위 학술지인 『Nano Energy(IF 16.8)』 6월 1일자에 게재됐다.
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