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광운대 박재영 교수팀, 배터리 없이도 물체 움직임을 감지 및 제어할 수 있는 무전원 센서 시스템 개발
광운대 박재영 교수팀, 배터리 없이도 물체 움직임을 감지 및 제어할 수 있는 무전원 센서 시스템 개발
  • 배지우
  • 승인 2023.01.16 11:22
  • 댓글 0
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- 배터리 없이도 물체의 움직임의 상세정보를 무선으로 실시간 모니터링 및 제어, 송수신 할 수 있는 초소형 무전원 모션 센서 시스템 개발
- 미래의 지능형 로봇, 드론, VR/AR, 자율주행 자동차, 의료 및 군수산업 등에 활용 기대 -
- 세계 최고의 에너지 전문저널인 엘시비어 출판의 나노에너지 (IF: 19/069)에 논문 게재

광운대학교 박재영교수팀(전자공학과)은 외부 전원이 없이도 물체의 움직임을 무선으로 모니터링하고 제어할 수 있는 무전원 모션 센서 시스템 개발에 성공했다. 연구팀이 개발한 무전원 시스템은 물체의 작은 움직임에서도 고출력의 전기를 생산할 수 있는 전자기력 에너지 하베스터와 물체의 움직임을 정밀하게 모니터링하기 위한 이중 모드 마찰 전기기반 무전원 동작 센서로 구성되었다. 배터리 없이도 물체의 움직임을 상시 모니터링 및 제어할 수 있고 반영구적으로 사용가능하기 때문에 지능형 로봇, 드론, VR/AR, 자율 주행 자동차, 웨어러블 기기 등 다양한 산업 분야에 폭넓게 응용될 것으로 전망된다.

박재영 교수(좌)와 트릴로찬 박사과정(우)

물체의 움직임과 위치 정보를 실시간으로 수집 및 제어할 수 있는 관성 및 모션 센서는 로봇, 컴퓨터 게임, 자동차, 스마트폰, 스포츠, 의료, 군수 등 여러 산업분야에서 활용도가 매우 높기 때문에 4차산업혁명을 선도하는 핵심기술로 평가되고 있다. 기존의 가속도계 및 자이로스코프와 같은 상용 관성 센서는 높은 정확도를 보이지만 센서를 동작 시키고 정보를 전송하기 위하여 이차전지와 같은 외부 전원 공급 장치가 반드시 필요하며, 하나의 센서만으로는 물체의 움직임 정보 (방향과 기울기, 속도, 가속도 등)를 측정할 수 없다는 단점이 있다.

또한 이차전지는 제한된 수명으로 인하여 주기적인 교체 및 유지보수가 꼭 필요하며, 폐기 시 환경 오염의 문제를 야기한다. 본 연구팀은 위의 문제들을 해결할 수 있는 차세대 기술로, 물체의 작은 움직임으로부터 전기를 생산할 수 있는 고출력 에너지 수확 소자와 임의의 물체 움직임을 실시간 모니터링 및 제어할 수 있는 무전원 모션 센서를 일체화 하여 하나의 부품으로 제작하였고, 수집된 물체의 움직임 상세정보를 불루투스를 기반으로 무선 전송하는데 성공하였다.

본 연구팀이 세계최초로 개발한 무전원 모션센서 시스템은 영구자석 간 반발력 기반의 다중 자유도를 갖는 저주파 고출력 에너지 수확 소자와 임의의 방향과 동작을 실시간 모니터링 및 제어할 수 있는 이중모드 마찰전기 나노발전기 기반 모션센서로 구성되어 있다. 전자기력기반 에너지하베스터 (EMG)는 5Hz의 저주파수에서 103.88mW의 높은 전력을 생산하였으며, 이는 센서의 신호 처리 및 무선 전송을 수행하기에 충분한 전력이다. 

얇고 유연한 강자성 필름, FeSiCr/PDMS와 미세한 패턴이 형성된 알루미늄 필름을 이용하여 제작된 접촉 분리 모드의 마찰 전기 나노발전기 (CS-TENG)와 서로 맞물린 형태의 직물전극 위에 코팅된 PTFE 필름과 영구자석 밑의 알루미늄 필름을 이용한 슬라이딩 마찰 전기 나노발전기 (S-TENG)를 이용하여 고성능의 이중모드 마찰전기 기반 무전원 모션센서를 제작하였다. 제작된 모션센서는 뛰어난 정확도와 감도를 가지며, 선형, 회전 및 기울기 조건에 따른 동작 주파수, 가속도, 방향 및 각도와 같은 다양한 동작 매개변수 모두를 감지할 수 있고, 가속도(1.966 V.s2/m), 주파수(14099 V/Hz), 기울기 각도(0.257 V/degree) 민감도를 나타내었다. 본 연구팀은 제작한 무전원 모션시스템을 이용하여 무선 실시간 로봇 균형 제어 플랫폼을 성공적으로 시연하였고, 이는 로봇 플랫폼뿐만 아니라 미래의 지능형 기계 상태 모니터링, 자동차 및 배터리 없는 자율 시스템에도 폭 넓게 활용 가능하다.

이번 연구는 연구재단 중견연구과제(NRF-2020R1A2C2012820)와 산업통상자원부의 산업기술혁신사업?(RS-2022-00154983,?저전력 센서와 구동을 위한 자립형전원 센서 플랫폼 개발)의 지원으로 수행되었고, 연구 결과는 세계 최고의 에너지 소재 및 소자기술 전문 저널인 엘시비어 출판의 나노에너지에 게재되었다.


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