이 기사는 IEEE Xplore와 협력해 발행하는 IEEE Journal Watch 시리즈의 일부다.

인도의 연구진이 마늘껍질과 플라스틱으로 외부 전원 없이 작동하는 센서를 만들고, 이를 실시간 가정 보안 시스템에 적용해 시연했다. 마늘껍질 한 겹을 폴리에틸렌에 끼운 센서는 보관 6개월 뒤에도 성능을 유지했다.

연구 결과는 8월 20일 IEEE Sensors Letters에 발표됐다. 논문은 생물 폐기물을 저렴하고 간단한 기술에 활용할 수 있음을 보여준다.

이 센서는 마찰전기 나노발전기의 일종이다. 서로 다른 전하를 띤 두 재료를 겹쳐 놓고 표면이 반복해서 접촉하고 분리되게 하면 교류가 발생한다. 이 전기는 수확하거나 센서 신호로 직접 사용할 수 있다.

인도 자이푸르의 말라비야 국립공과대학교 전자·통신공학과 조교수 Deepak Bharti는 박사과정생 Manas Tiwari와 함께 연구를 진행했다. Bharti는 발걸음, 진동, 문이 열리는 움직임을 활용해 쓸 수 있는 전기 출력을 얻는 간단하고 저렴한 방법이라고 설명했다.

마늘껍질을 전원으로 쓴 이유

Bharti와 Tiwari는 이전에도 땅콩 껍질과 사탕수수의 건조한 섬유질 잔여물 같은 생물 폐기물로 기술에 전력을 공급하는 방법을 연구했다. 이번에는 가볍고 생분해되며 널리 구할 수 있지만 대부분 버려지는 농업·가정 폐기물인 마늘껍질을 선택했다. Bharti는 합성 고분자 대신 이런 재료를 마찰전기 층으로 활용할 수 있는지 살펴봤다고 말했다. 연구진은 마늘껍질의 자연스럽고 층이 진 표면이 접촉 대전에 유리하다고 판단했다.

연구진은 양전하를 띠는 마늘껍질을 갈아 음전하를 띠는 폴리에틸렌 시트 위에 올렸다. 마늘껍질 한 겹을 사용한 장치는 개방 회로 전압 약 210볼트, 단락 전류 약 45마이크로암페어, 전력 밀도 제곱미터당 2.16와트를 냈다. 폴리에틸렌 시트 반대쪽에도 마늘껍질 층을 추가하자 출력은 약 400볼트와 65마이크로암페어로 거의 두 배가 됐다.

높은 전압과 낮은 전류는 이런 종류의 나노발전기에서 나타나는 특성이다. 따라서 저전력 센서와 에너지 수확에 적합하다. Bharti는 두 번째 마늘껍질 층이 출력을 거의 두 배로 높인 점과, 장치가 보관 6개월 뒤 및 기계적 스트레스 200회 뒤에도 성능을 유지한 점이 인상적이었다고 말했다.

문 열림 감지 시연

연구진은 센서를 문 위쪽과 문틀 사이에 끼워 가정 보안 시스템을 구성했다. 문이 열리면 마늘껍질과 플라스틱 층이 분리되면서 전압이 급증하고, 이 신호가 마이크로컨트롤러와 블루투스 모듈로 전달된다. 센서 자체에는 외부 전원이 필요하지 않지만, 실험에서 마이크로컨트롤러는 보조 배터리를 사용했다.

블루투스 모듈은 신호를 연구진이 제작한 안드로이드 앱이 실행되는 스마트폰으로 무선 전송한다. 앱은 문이 열렸다는 음성 알림을 실시간으로 내보냈다. 50회 시험에서 시스템은 문이 열리는 상황을 92% 정확도로 식별했다.

Bharti는 마늘껍질과 폴리에틸렌을 두 겹 쌓으면 전기 출력이 두 배가량 늘지만, 두 겹보다 더 쌓아도 출력이 크게 증가하지 않는 현상을 후속 연구에서 살펴볼 계획이다. 다른 생물 폐기물도 마찰전기 재료로 활용할 수 있는지 연구할 예정이다.

사진 설명: 연구진은 마늘껍질 센서로 문 열림을 감지하는 가정 보안 시스템을 시험했다. Manas Tiwari와 Deepak Bharti.

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