광운대학교는 이 대학 소속 박재영 교수 연구팀(전자공학과)이 3D 프린팅 기술과 실록신-에코플렉스 나노 복합체를 이용해 높은 탄성력을 갖는 기둥 어레이 구조 기반의 마찰전기 나노발전기를 설계·제작했다고 14일 밝혔다.

연구팀은 또 이를 이용해 광대역의 비주기적 기계 진동을 실시간으로 모니터링함으로써 결함 및 고장을 진단할 수 있는 고감도의 무전원 진동센서 개발에 성공했다. 특히 AI(인공지능) 기술을 접목해 기계적 진동 데이터를 상세하게 분석함으로써 기계 내의 패턴, 결함 및 잠재적인 문제점들을 식별할 수 있고, 기계고장을 사전에 예방할 수 있음을 입증했다.

접촉과 분리에 의존하는 전통적인 마찰전기 나노발전기와 달리 본 연구팀이 개발한 진동센서는 탄성 매크로 기둥으로 설계됐고, 진동 감지를 위해 직접적인 접촉에 의존하는 대신 기둥의 유연성과 고유한 탄력성을 활용했다. 이 혁신적인 접근 방식을 통해 다양한 주파수와 진폭에 걸쳐 매크로 기둥의 무작위 전기역학적 동작에 반응하게 함으로써 광대역의 비주시적 기계 진동을 정밀하게 감지했다.

현재 기계적 진동을 모니터링하는 시스템은 내결함성과 자동화 향상을 목표로 가속도계, 자이로스코프, 스트레인 게이지 등 수많은 센서와 제어 회로가 통합돼 사용되고 있다. 그러나 이러한 센서들은 신호 변환 및 지속적인 사용을 위해서는 외부 전원이 필요하며, 시스템의 전체 전력 사용량을 크게 중가 시키는 문제가 발생한다.

연구팀은 고감도의 성능을 유지하면서 거의 0에 가까운 전력을 소비하는 센서기술로 실록신-에코플렉스(Siloxene-Ecoflex) 고탄성 매크로 기둥을 이용한 마찰 전기 기반 무전원 진동 센서를 성공적으로 개발했다. 고탄성의 매크로 기둥들과 스티렌-에틸렌-부틸렌-스티렌(SEBS)의 마찰을 이용하여 전기를 생산하는 나노발전기 기반 무전원 진동센서를 제작했다.

센서는 0.01~15kHz의 광범위한 주파수와 0.1~7.0g의 가속도 범위에서 탁월한 감지 기능을 제공한다. 특히, 최대 15kHz에 달하는 고주파수 응답특성은 매크로 기둥 내에 내장된 고유의 무작위 고탄성 진동 동작에 기인한다. 센서는 낮음, 중간에 걸쳐 r2 = 0.99에서 2.033V/g(0.1-0.5g), 1.455V/g(0.5-2.0g) 및 1.116V/g(2.0-7.0g)의 뛰어난 가속 감도를 나타낸다.

연구팀은 데이터의 정교한 분석 및 처리를 위하여 AI(인공지능) 알고리즘을 활용했으며 다양한 기계 설정환경에서 자가 동력식 기계 식별, 포괄적인 진동 검사 및 결함 모니터링을 성공적으로 시연했다. 최첨단 나노소재와 지능형 처리의 융합은 향상된 감지 기능 뿐만 아니라 산업 전반에 걸쳐 사전 예방적인 기계 유지 관리 및 운영 효율성의 새로운 시대를 열어줄 것으로 기대된다.

연구팀에 따르면 이러한 혁신기술은 로봇공학을 넘어 지능형 기계 모니터링, 자동차 시스템, 배터리가 필요 없는 자율 장치 등 다양한 응용 분야에 활용 가능하다.

이번 연구는 연구재단 중견연구과제와 산업통상자원부의 산업기술혁신사업(저전력 센서와 구동을 위한 자립형전원 센서 플랫폼 개발)의 지원으로 수행됐다. 연구 결과는 세계 최고의 에너지 소재 및 소자기술 전문 저널인 엘시비어 출판의 나노에너지에 게재됐다.