요약:
아칸소 대학교와 미시간 대학교의 연구팀은 최근 새로운 기술을 시연했습니다. 주변 전력선에서 발생하는 주변 전자파로부터 에너지를 수확해 전기 에너지로 변환해 전력 센서로 변환하는 그래핀 기반 에너지 수확 장치를 개발해 배터리나 전원 공급선 없이 독립적인 작동이 가능하다.
연구원들은 이 기술을 사용하여 그래핀 에너지 수확기, 전력 변환 회로, 에너지 저장 커패시터 및 초저전력 온도 센서를 포함하는 무선 온도 모니터링 시스템을 구축했습니다. 전체 시스템은 전자기 유도를 통해 전력을 얻고 기존 배터리에 의존하지 않고도 온도 감지 작업을 완료할 수 있습니다.
작동 원리는 교류에 의해 생성되는 변화하는 자기장을 기반으로 합니다. 전류가 전선을 통과하면 주위에 자기장이 생성되고 교류는 계속해서 방향과 강도를 변경하여 에너지를 운반하는 변화하는 자기장을 지속적으로 방출합니다. 미국 전력망에서 이러한 변화는 일반적으로 초당 60회 발생합니다. 연구팀은 독립적인 장치에 지속적인 전력을 공급하기 위해 무시되었던 이러한 에너지원을 활용했습니다.
이 자기장 에너지를 포착하기 위해 연구원들은 그래핀을 사용하여 인덕터를 만들고 강철 코어를 추가하여 자기장 수집 기능을 향상시켰습니다. 장치가 전력선 근처에 배치되면 전선 주변의 변화하는 자기장이 인덕터를 통과하여 인덕터 전체에 약한 AC 전압을 유도합니다. 이 과정은 전통적인 변압기와 발전기에서 사용되는 전자기 유도의 원리와 동일합니다.
그러나 처음에 생성된 전기 신호는 전자 장치를 직접 구동할 수 없습니다. 한편으로는 교류 전류이고 센서에는 직류 전류가 필요합니다. 반면에 전압 레벨은 충분하지 않습니다. 이를 위해 연구팀은 교류를 직류로 정류하고 센서가 사용할 수 있는 수준까지 전압을 점진적으로 높이는 Cockcroft-Walton 전압 더블러를 기반으로 한 전력 변환 회로를 설계했습니다.
기존 솔루션과 달리 이 시스템은 충전용 배터리를 사용하지 않고 3개의 커패시터를 사용하여 수집된 전기 에너지를 저장합니다. 커패시터는 점진적으로 전하를 축적하며, 연구원들은 에너지 하베스터가 온도 센서가 소비하는 것보다 더 빠르게 전력을 보충하여 시스템이 장기간 작동을 유지할 수 있다고 말합니다.
전압을 높이고 에너지를 저장한 후에도 이런 방식으로 얻는 전력의 규모는 여전히 매우 작습니다. 이러한 한계에 적응하기 위해 연구팀은 전력 소모가 10억분의 1와트인 나노와트 수준에 불과한 초저전력 온도 센서를 특별히 설계했다. 보고서에 따르면 이 장치는 AirPods 헤드셋보다 약 3천만 배 적은 전력을 소비합니다.
연구원들은 그래핀 인덕터가 에너지를 빠르게 모으지는 못하더라도 커패시터에 저장된 에너지를 지속적으로 보충하기에는 충분하다고 말했다. 근처에 충분한 전자기 에너지원이 있는 한 시스템은 이론적으로 무한정 작동할 수 있습니다. 동시에 커패시터는 과도한 전기를 저장할 수도 있으므로 주변 전력이 일시적으로 중단되더라도 장치는 계속 작동할 수 있습니다. 팀의 추정에 따르면 저장된 전하로 인해 센서가 최소 24시간 동안 작동할 수 있으며 경우에 따라 일주일 정도 지속될 수도 있을 것으로 예상됩니다.
연구 책임자인 폴 시바도(Paul Sibado) 교수는 인덕터가 커패시터에 전하를 보충하는 속도는 느리지만 센서가 전력을 소모하는 속도보다는 여전히 높다고 지적했다. 따라서 정전 후에도 시스템은 커패시터에 저장된 에너지로 더 오랜 시간 동안 계속 작동할 수 있습니다.
연구팀은 이 기술이 대규모 산업 시설의 온도 모니터링 네트워크에 매우 적합하다고 믿고 있습니다. 수천 개의 센서를 공장, 파이프라인 시스템 및 다양한 기계 장비 주변에 배치해야 하는 경우가 많습니다. 기존 솔루션은 복잡한 전원 공급 장치 배선이 필요하거나 빈번한 배터리 교체가 필요했습니다. 새로운 기술의 채택으로 인해 많은 수의 센서가 전선이나 배터리 유지 관리 없이 오랫동안 작동할 것으로 예상됩니다.
그러나 연구원들은 기술의 한계도 강조했습니다. 첫째, 장치는 어떠한 환경에서도 전기를 생성할 수 없을 만큼 강력하게 변화하는 자기장 근처에 위치해야 합니다. 둘째, 현재 실험에서는 시스템이 완전히 제로 전원 상태에서 자체적으로 시작할 수 있다는 것을 입증하지 못했습니다. 테스트 과정에서 커패시터를 사전 충전해야 하며 프로세서를 미리 프로그래밍해야 합니다. 또한 시스템 출력 전력이 극도로 낮아 현재는 특별히 설계된 초저전력 센서만 구동할 수 있어 스마트폰과 같은 일반 전자 장치에 전력을 공급하기에는 충분하지 않습니다.
그럼에도 불구하고 연구팀은 이번 성과가 향후 자가 동력 센서 개발에 중요한 방향을 제시한다고 믿고 있습니다. 온도 모니터링 외에도 향후 제품 추적, 대기 환경 모니터링, 물류 차량 관리, 토양 모니터링, 웨어러블 건강 장치, 의료 추적 등 다양한 분야에서 유사한 기술을 사용할 수도 있습니다.
동시에 연구원들은 전기를 생성하기 위해 음향 에너지, 비선형 에너지, 태양 에너지, 열 에너지, 운동 에너지 및 기타 환경 방사선원을 사용하는 방법도 연구하고 있습니다. 이를 통해 궁극적으로 여러 환경 에너지원으로부터 동시에 전력을 얻을 수 있는 자율 센서 시스템을 개발하여 장기적으로 유지 관리가 필요 없는 작동을 달성할 수 있기를 바랍니다.
Journal of Vacuum Science and Technology에 관련 연구 결과가 게재되었습니다.
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