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수소 가스 민감성 광투과도 변화 필름을 활용한 무전원 가스센서 기술 개발
우리 대학 기계공학과 박인규 교수 연구팀과 전기및전자공학부 윤준보 교수, POSTECH 노준석 교수 공동 연구팀이 외부 전력 공급 없이도 장기간 안정적으로 동작할 수 있는 무전원 수소 감지 센서를 개발했다고 18일 밝혔다.
연구팀은 유연한 폴리머 나노 창살(nanograting)의 한쪽 측벽에 팔라듐(Pd)을 비대칭적으로 코팅하면, 팔라듐(Pd)이 수소 분자를 흡수함에 따라 부피가 팽창하면서 폴리머 나노 창살이 기계적으로 굽혀 일종의 ‘커튼’과 같이 광투과도 변화를 일으킨다는 것을 발견했다. 이러한 현상을 활용하여 태양전지 표면에 감지막을 부착하면 수소 가스에 노출되었을 때 태양전지에 도달하는 빛을 가리고, 이는 태양전지 출력 변화로 이어져 외부의 전력 공급 없이도 수소 가스의 농도를 정밀하게 포착하게 된다.
수소 가스는 석유화학, 반도체, 제약 등 다양한 산업에서 널리 활용되고 있으며 차세대 친환경 에너지원으로도 주목받고 있지만, 누출 발생 시 폭발의 위험이 큰 만큼 안전한 사용을 위해 지속적인 모니터링이 필수적이다. 그러나 기존의 수소 감지 장치들은 지속적인 전원 공급이 필요해 다양한 무선환경에서 장시간 사용하는데 큰 제약이 있었다. 연구팀에서 개발한 무전원 수소 감지 센서는 외부 전원 없이도 수소 가스의 농도를 정밀하게 예측할 수 있어 수소를 활용하는 다양한 무선 원격 환경에서 널리 활용될 것으로 기대된다.
연구팀은 센서의 성능을 극대화하기 위해 수치 시뮬레이션을 통해 팔라듐 코팅 조건(입사각)을 최적화해 0.1%의 저농도 수소 가스에 대해서도 높은 센서 민감도를 달성할 수 있었고, 또한 반복적인 수소 가스 노출 및 습도 변화에도 안정적인 신호를 유지하는 것을 검증했다.
특히 연구팀은 개발한 무전원 수소 센서를 모바일 장치에 탑재해 감지된 수소 농도를 스마트폰에서 원격으로 확인할 수 있는 시제품을 함께 선보여 실제 무선환경에서의 활용성을 높였다. 본 시제품은 수소 감지에 활용되는 태양전지뿐만 아니라 주변 광 세기 변화를 보상하기 위한 추가적인 태양전지를 탑재해 실시간 보상이 이뤄지며, 블루투스를 통해 스마트폰으로 신호를 전송한다. 스마트폰 앱에서는 수소 가스의 폭발 하한 농도인 4%를 초과했을 때 알람을 울려 사용자에게 알려준다.
박인규 교수는 “이번 연구는 첨단 나노기술을 통해 수소 가스를 정밀하게 감지할 수 있는 새로운 감지 메커니즘을 규명했을 뿐만 아니라 개발된 시제품은 센서 전원 공급이 원활하지 않은 원격지에서의 활용성을 크게 높여, 차세대 에너지원으로 주목받고 있는 수소의 안전한 사용에 기여할 것으로 기대된다”라고 말했다.
한국연구재단의 선도연구센터지원사업, 나노·소재기술개발사업의 지원을 받아 진행된 이 연구의 성과는 국제학술지 ‘ACS Nano’2020년 12월자에 게재됐다. (논문명: Chemo-Mechanically Operating Palladium-Polymer Nanograting Film for a Self-Powered H2 Gas Sensor)
2021.01.18 조회수 74215 -
사물인터넷(IoT)을 위한 무전원 인터넷 연결 기술 개발
우리 대학 연구진이 초저전력, 저비용으로 우리 생활의 모든 사물을 연결하는 사물인터넷(IoT, Internet of Things) 서비스를 광범위하게 제공하는 핵심 기술을 개발해 초연결 사회 구현을 한층 앞당길 수 있을 것으로 기대된다. 사물인터넷이란 각종 사물이 센서와 통신기기를 통해 서로 연결돼 양방향으로 소통함으로써 개별 객체로는 제공하지 못했던 서비스를 제공하는 기술이다.
전기및전자공학부 김성민, 이융 교수와 정진환 박사과정, 한국뉴욕주립대 류지훈 교수(컴퓨터과학과)가 참여한 공동 연구팀은 후방산란(Backscattering) 기술을 이용한 무전원 사물인터넷 게이트웨이 개발에 성공했다고 13일 밝혔다.
후방산란 기술이란 기기의 무선 신호를 직접 만들어내지 않고, 공중에 존재하는 방사된 신호를 반사해 정보를 전달하는 방식의 기술이다. 무선 신호를 생성하는데 전력을 소모하지 않아 초저전력으로 통신을 가능케 하는 기술이다.
김성민 교수 연구팀은 이러한 초저전력 후방산란 기술을 이용해 사물인터넷 기기들이 방사하는 무선 사물인터넷 신호가 와이파이(WiFi) 신호로 공중에서 변조되도록 설계했다. 후방산란 기술 기반의 무전원 게이트웨이를 이용하면 사물인터넷 기기를 와이파이 네트워크에 쉽게 연결할 수 있기 때문에 인터넷 연결성의 범위가 크게 확장될 것으로 기대된다.
전기및전자공학부 정진환 박사과정이 제1 저자로 참여한 이번 연구는 지난 6월 캐나다 토론토에서 열린 모바일 컴퓨팅 분야의 최고 권위 학술대회 `ACM 모비시스(ACM MobiSys) 2020'에서 발표됐다. (논문명 : Gateway over the air: Towards Pervasive Internet Connectivity for Commodity IoT).
5G 네트워크의 핵심 구성요소 중 하나인 사물인터넷은 각종 사물인터넷 기기들이 인터넷에 연결돼야만 다양한 서비스를 제공할 수 있는 구조로 돼 있다. 사물인터넷 기기들을 인터넷에 연결하기 위해서는 사물인터넷 게이트웨이라는 다수의 무선 송수신 장치를 장착하고 있는 기기가 꼭 필요하다.
사물인터넷 게이트웨이는 다수의 무선 송수신 장치에서 발생하는 전력소모량이 크기 때문에 유선 전원공급장치가 필요하다. 따라서 자유로운 설치가 제한될 수밖에 없어 광범위한 인터넷 연결성을 제공하는데 많은 제약이 따른다.
연구팀은 문제 해결을 위해 후방산란 기술을 활용해 사물인터넷 기기들이 주로 사용하는 지그비(ZigBee, 저전력 무선망 기술) 또는 BLE(Bluetooth Low Energy, 저전력 블루투스 기술) 통신 규격을 따르는 무선 신호를 최적의 패턴으로 반사해 와이파이 신호로 변조시키는 기술을 개발했다. 이 기술을 이용해 사물인터넷 기기들을 사용자 주변에 흔히 볼 수 있는 와이파이 기기에 연결함으로써 인터넷 연결성을 제공하는 무전원 사물인터넷 게이트웨이를 제작했다.
연구팀이 개발한 무전원 사물인터넷 게이트웨이 기술은 후방산란 기술을 활용해 에너지 수확(Energy harvesting)을 통해 무전원으로 동작할 수 있어 설치비용과 유지·보수 비용을 크게 줄일 수 있다. 또 후방산란의 특성상 공중에 방사된 무선 신호를 반사하면서 물리적으로 변조하므로 동일한 통신 규격을 사용하는 모든 사물인터넷 기기에 보편적으로 적용할 수 있다는 장점이 있다.
연구팀은 저전력 통신 규격인 지그비와 BLE 신호를 무전원 사물인터넷 게이트웨이를 통해 와이파이 신호로 변조해 상용 노트북에서 수신됨을 확인했다. 이와 함께 다양한 제작사에서 판매하는 상용 스마트홈 기기(스마트 전구, 스마트 스피커 등)가 사물인터넷 게이트웨이를 통해 와이파이 기기에 상호 연결되는 현상을 실험을 통해 입증함으로써 통합형 사물인터넷 게이트웨이로서의 가능성도 확인했다.
제1 저자인 정진환 연구원은 "후방산란이라는 초저전력 통신 기술을 통해 상용 사물인터넷 기기들이 매우 적은 비용으로 와이파이를 통해 인터넷에 연결될 수 있다는 점을 확인했다ˮ면서 "값비싸고 전력소모량이 큰 기존의 사물인터넷 게이트웨이의 한계를 무전원 사물인터넷 게이트웨이로 극복할 수 있다는 점을 확인한 게 이번 연구의 성과ˮ라고 설명했다.
정 연구원은 이어 "향후 끊임없이 규모가 커질 사물인터넷에 대해 효율적으로 인터넷 연결성을 확대, 제공하는 방향으로 활용이 가능할 것으로 기대가 크다ˮ고 말했다.
한편 이번 연구는 한국연구재단과 정보통신기획평가원의 지원을 받아 수행됐다.
2020.07.13 조회수 26200 -
융합연구로 무전원 무선 키보드 개발
- 개발한 무전원 무선키보드의 상용화를 위한 기술이전-
- 학문 분야를 초월한 융합연구로 탄생 -
우리학교 IT융합연구소 미래디바이스팀이 융합연구를 통해 무전원 무선 키보드를 최근 개발했다.
무전원 무선 키보드 기술은 지난 2007년 우리학교 구성원들을 대상으로 KAIST 연구원(KAIST INSTITUTE, KI)이 개최한 ‘미래단말 아이디어 공모전’ 수상작이다. 원내 구성원들의 참여를 이끌어낸 점에서 더욱 의미가 크다.
공모전 수상작 아이디어를 구체화한 이번 연구는 KI의 IT융합연구소 미래디바이스팀(팀장 정성관)과 여러 학문분야의 우리대학 교수들로 구성된 ‘미래단말 TFT’를 만들어 학문 분야를 초월한 융합연구로 진행됐다.
이 키보드는 900MHz 수동형 RFID 태그(Passive RFID tag) 기술을 이용해 별도의 전원 공급 장치를 탑재하지 않은 키보드의 키 누름을 무선으로 인식할 수 있는 기술로 만들어졌다. 키보드 키 구조에 맞는 소형 RFID 태그 스위치 구조 및 필름PCB와 유연한 구조를 가진 물질을 이용해 얇고 유연한 형태의 휴대성이 높다.
이러한 무전원 무선 키보드는 전기및전자공학과 조동호 교수의 수동형 RFID(passive RFID) 방식의 키 인식 기술, 물리학과 윤춘섭 교수의 유연한 구조를 갖는 물질을 개발 기술과 IT융합연구소의 태그 구조 및 인식 소프트웨어 기술의 융합으로 만들어진 결과이다.
새로 개발한 키보드는 기존의 키보드 제품과 달리 건전지를 넣지 않고도 사용이 가능하며 선이 연결되지 않아도 된다. 작고 가벼워 휴대 및 사용이 편리해 제품화에 성공하면 관련 시장에서 크게 각광받을 것으로 기대되고 있다.
위 기술을 통해서 유비쿼터스 컴퓨팅 및 통신 환경을 실현하고 접는 키보드의 새로운 시장을 개척할 뿐 아니라, 세계시장에서 모바일 디바이스 산업 경쟁력을 확보하는데 한걸음 다가갈 수 있을 것으로 기대된다.
김상수 연구원장은 “아이디어 공모전 개최와 TFT 운영과 같은 적극적인 활동 덕분에 무전원 무선 키보드와 같은 창의적이고 훌륭한 기술이 개발될 수 있었다”며 “창의적인 아이디어와 연구아이템 발굴을 위해 앞으로도 꾸준히 아이디어 공모전을 개최하고 융합연구를 통한 신기술 개발에 노력 하겠다”고 말했다.
우리학교는 이 무전원 무선 키보드의 상용화를 위해 (주)한양세미텍에 최근 기술 이전한 바 있다.
KI는 융합연구 분야의 세계적 연구개발 성과를 통해 대학의 인지도를 높이고, 국가 경쟁력 향상에 기여할 목적으로 서남표 총장이 추진해온 역점 전략사업 중 하나다.
현재 바이오, IT융합, 시스템설계, 엔터테인먼트공학, 나노, 청정에너지, 미래도시, 광기술 등 8개 연구소에서 25개 학과 230여명의 교수가 참여해 활발한 융합연구를 수행하고 있다.
<용어설명>
○ Passive RFID : RFID(Radio Frequency IDentification)는 기존의 바코드 형태의 광학식 ID 식별기술의 한계(가시성, 정보량, 인식속도 등)을 극복하기 위해 개발된 무선 ID 식별 기술로써, 기본적으로 식별정보(ID)를 갖고 있는 RFID tag와 이 tag를 인식하고 tag에 저장되어 있는 정보를 무선으로 읽어올 수 있는 RFID reader로 구성 된다.이때 RFID tag의 특성에 따라서 tag가 베터리 등의 전원 공급 장치를 갖고 있는 active RFID 방식과 별도의 전원 공급 장치를 갖고 있지 않은 passive RFID방식으로 구별된다.
(Active RFID 방식은 온도, 습도 등의 정보를 지속적으로 모니터링할 필요가 있는 분야나 긴 인식거리가 필요한 분야에서 주로 쓰이며, 본 무전원 무선 키보드의 동작 특성을 만족하기에 적합하지 않은(내장 전원 요구) 특성을 갖고 있으므로 별도의 전원을 요구하지 않는 Passive RFID 기술을 사용하여 무전원 무선 키보드를 개발하였다.)
○ RFID tag : RFID 시스템에서 식별하고자 하는 대상체를 구별하기 위한 식별자(ID) 정보를 갖고 있는 장치로서 무선 전파를 수신 및 응답하기 위한 안테나 부분과 수신된 전파로부터 전력을 획득하고 정보 처리 및 응답 동작을 수행하는 tag chip부분으로 구성되어 있다.
○ 필름 PCB 구조의 substrate : 전자 소자들을 연결하여 적절한 전자회로를 구성하기 위해서는 각 소자들을 연결해 주는 "회로"(연결선)를 만들어야 하는데, 동작 특성 만족, 소형화 및 대량 생산 등을 위해 인쇄기판(PCB: Printed Circuit Board) 기술을 이용한다. 일반적인 PCB들은 FR4 등의 단단한 특성을 갖는 재질로 만들기 때문에 형태 변형 등에 강한 특성을 갖는다. 이에 반해 얇은 필름형태의 폴리이미드(Polyimide)를 사용하여 제작되는 PCB(f-PCB: flexible-PCB, Film-PCB)는 폴리이미드의 유연한 특성으로 인해 FR4 등의 단단한 PCB들 사이의 연결회로로서 많이 사용되고 있다.
본 무전원 무선 키보드는 높은 휴대성을 지원하기 위해 얇고 쉽게 접을 수 있는 형태로 제작되었으며 이를 위해 단단한 형태의 FR4가 아닌 유연한 특성을 갖는 폴리이미드 기반의 필름 PCB로 제작되었다.
또한, 필름 PCB를 이용한 유연한 형태의 특성을 키보드 완성품에서도 유지하기 위해서, 회로부분을 지탱하고 전체 키보드 외형을 구성하는 물질(substrate)로 변형에 대한 내구성이 높고 수분/산소 등에 대한 투과도가 낮은 재질(윤춘섭 교수)을 이용하여 전체 키보드 외형을 제작하였다.
2010.07.28 조회수 20658