지구온난화 대응을 위해 대표 온실가스인 이산화탄소를 모니터링 하는 것이 중요하다.
특히 유럽연합(EU)처럼 산업 전반에서 이산화탄소 배출을 규제하는 환경에서는 이를 정밀 모니터링 해 공정 최적화와 환경관리에 활용할 수 있다.
그러나 기존 이산화탄소 모니터링 시스템은 대부분 배터리나 유선 전원으로 가동하기 때문에 설치 위치의 제약과 더불어 배터리 교체 등 유지보수 비용이 발생한다.
미세진동을 전기에너지로
KAIST 전기및전자공학부 권경하 교수 연구팀이 중앙대 류한준 교수팀과 공동연구로 주변 미세진동을 에너지원으로 이산화탄소 농도를 측정하는 ‘자가발전형 무선 모니터링 시스템’을 개발했다.
이 시스템은 산업장비나 배관에서 발생하는 진동에너지를 전기를 바꾸는 것이 관건이다.
이를 위해 연구팀은 미세진동을 전기에너지로 변환하는 ‘마찰전기 나노발전기(Triboelectric Nanogenerator, TENG)’ 모듈과 에너지수확부를 구성했다.
TENG은 산업장비에서 발생하는 진폭 20~4000㎛, 주파수 0-300㎐ 진동을 전기에너지로 전환한다.
실제 연구팀이 13㎐ 진동 조건으로 시스템을 구동한 결과 0.56g의 가속도 조건에서 0.5㎽ 전력으로 외부전원 없이 주기적으로 이산화탄소를 측정하고 전송하는 것을 확인했다.
전송된 값은 전원으로 구동하는 시스템이 동일한 이산화탄소 농도를 보여 측정 정확도도 확인했다.
이 시스템은 첫 사이클에서 2시간 충전 후 작동을 시작, 이후 70분 간격으로 주기적인 모니터링이 가능하다.
권 교수는 “이번 연구는 산업현장의 파이프라인, HVAC 등 설비에서 발생하는 진동을 이용해 유지보수가 필요 없는 영구적인 이산화탄소 모니터링을 수행할 수 있다”며 “EU의 강화된 환경 규제에 대응해 새로운 모니터링 지점이 필요한 상황에서 이 기술이 새로운 시장기회를 창출할 것으로 기대된다”고 말했다.
한편, 이번 연구는 KAIST 장규림 석사과정과 중앙대 다니엘 마나예 티루네 석사과정이 공동 제1저자로 수행했고, 연구결과는 국제학술지 `나노 에너지(Nano Energy)(IF 16.8)' 지난 1일자에 게재됐다.
(논문명 : Highly compact inertia-driven triboelectric nanogenerator for self-powered wireless CO2 monitoring via fine-vibration harvesting // DOI: https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2025.110872)
