광운대학교 박재영(전자공학) 교수 연구팀은 자동차 주행 시 발생하는 낮은 진폭의 비주기적 진동 및 충격에서 전기를 효율적으로 수확하고 차량 운행상태를 실시간 모니터링할 수 있는 무전원 모션센서 일체화 친환경 반영구적 하이브리드 에너지하베스팅 기술을 개발했다. 이 기술은 배터리 없이 차량의 진동과 도로상태를 실시간 점검할 수 있고 지속적으로 온도, 습도, 공기질 등 차량 실내환경을 무선 모니터링할 수 있다.

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 필요한 상황이다. 

박재영 교수 연구팀은 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.

박재영 교수 연구팀이 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. 또, 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(NRF-2020R1A2C2012820) 및 산업통상자원부 산업기술혁신사업(RS-2022-00154983, 저전력 센서와 구동을 위한 자립형전원 센서 플랫폼 개발), 현대자동차 산학공동연구 지원사업, 광운대학교 교내연구사업 지원으로 수행됐다. 연구결과는 에너지분야의 세계적 학술지인 엘시비어(Elsevier) 출판의 나노에너지(Nano Energy, 인용지수: 17.6)'에 논문으로 게재됐다. https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.109793