과학기술정보통신부는 류정호 영남대 교수 연구팀이 개발한 이 같은 기술이 4차 산업혁명 핵심기술인 사물인터넷(IoT) 무선센서 네트워크의 자율 독립전원으로 상용화가 가능한 수준이라고 5일 밝혔다.
독립전원은 기존의 배터리를 사용하는 대신 자체적으로 전기에너지를 발전시켜 배터리 교체가 필요 없이 반영구적으로 사용가능한 전원기술이다.
자율 독립전원에 적용된 에너지 변환 소자의 개념도(게재 학술지 Energy & Environmental Science 전면 표지 그림). 자기장에 의해 변형이 일어나는 자왜 금속 소재와 변형에 의해 전기에너지가 발생하는 압전 소재가 하이브리리 인터페이스 결합 현상을 이용해 일상의 자기장 노이즈를 전기에너지로 변환 시킬 수 있다.
연구팀은 미세한 자기장변화에 따라 늘어나거나 줄어드는 금속소재(Ga-Fe 합금)와 변형이 생기면 전기에너지를 발생시키는 압전소재를 결합해 일상의 자기장 변화를 전기에너지로 변환시키는 기술을 개발했다.
압전소재와 자왜금속소재의 결정방향에 따라 그 특성이 달라지는 원리를 활용해 자기장에 가장 민감하게 변화하는 결정방향으로 두 소재를 제작한 뒤, 이 두 소재를 하이브리드 인터페이스 결합기술로 에너지 변환 소자를 설계했다.
그리고 IoT 무선 센서를 배터리 없이 지속적으로 구동하기에 충분한 수준인 mW 이상의 직류 전력을 발생시키는데 성공했다.
자율 독립 전원을 사용해 대표적인 웨어러블 IoT 기기인 스마트워치를 구동하는 모습. 사용된 스마트워치는 프로그래밍이 가능한 텍사스 인스트루먼트사의 제품으로 개발된 자율 독립 전원을 사용해서 내장된 각종 센서를 구동하고 무선으로 측정된 정보를 실시간으로 전송했다.
연구진은 기존 전자식 유도방식의 부피, 무게의 한계를 극복했을 뿐만 아니라 이전 연구 결과대비 3배 이상의 특성 향상을 이뤄냈다며, 개발된 기술의 내구성, 환경 신뢰성에 대한 검증 연구가 진행 중이며 1~2년 내에 실용화가 가능하다고 설명했다.
김광호 하이브리드 인터페이스 기반 미래소재연구단장과 영남대 류정호 교수는 “관련 기술에 대해 국내, 미국, 유럽, 일본, 중국에 특허권리를 확보했다”며 “배터리를 사용해서 동작시키던 무선 센서 네트워크를 배터리 없이 반영구적으로 구동할 수 있을 수준에 도달했기 때문에 4차 산업용 무선 센서 네트워크의 자율 독립전원으로 광범위한 활용이 기대된다”고 밝혔다.
연구결과는 에너지 환경 분야 학술지인 ‘Energy & Environmental Science’의 4월호 표지논문으로 게재됐으며, 과기정통부 글로벌프런티어사업을 중심으로 창의형 융합연구사업, 재료연구소 주요사업의 지원을 받아 수행됐다.