배터리 없는 무선센서 성큼…감마선으로 출력 2배 높여

한국원자력연구원

원자력연이 개발한 친환경 압전소재 기반 에너지 하베스터 소자. 원자력연 제공

무선센서가 배터리 없이 작동하려면 주변의 에너지를 전기로 바꾸는 '에너지 하베스터의 출력'이 충분히 높아야 한다. 국내 연구팀이 기존보다 성능을 2배 끌어올린 기술을 개발했다.

한국원자력연구원(원자력연)은 원자력 발전소 등 산업 설비에서 발생하는 진동을 전기에너지로 변환하는 '압전 에너지 하베스터'의 출력 성능을 기존 대비 200% 향상시키는 기술을 개발했다고 4일 밝혔다. 연구 결과는 국제학술지 '케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal)' 1월호에 게재됐으며 지난 1월 국내 특허 등록을 완료했다.

최근 원자력 발전 산업은 설비 상태를 실시간으로 점검하고 이상을 자동으로 감지하는 스마트 플랜트 구현과 자율운전 강화를 위해 무선센서 도입을 확대하고 있다.

상용 무선센서는 대부분 배터리 기반으로 구동돼 수명이 제한적이며 주기적인 교체와 유지관리가 필요하다. 방사선 환경이나 접근이 제한된 구역에서는 배터리 교체 작업이 안전과 비용 측면에서 큰 부담이 된다.

배터리를 대체할 수 있는 압전 에너지 하베스터가 대안으로 주목받고 있으나 출력이 낮고 설비가 가장 크게 진동하는 주파수인 ‘공진주파수’에 맞춘 정밀 설계가 필요해 현장 적용에 한계가 있다.

이경자 원자력연 책임연구원팀은 이건재 KAIST 교수팀, 박귀일 경북대 교수팀과 공동으로 감마선을 쬐어 소재 내부 구조를 개선하는 방식으로 문제를 해결했다. 

연구팀은 원자력연이 자체 개발한 친환경 압전소재를 내열성이 우수한 '폴리이미드(polyimide)' 소재와 결합해 하베스터 소자를 제작한 뒤 여기에 감마선을 쬐는 후처리 공정을 추가했다.

감마선을 쬐면 소자 내부 고분자 사슬이 촘촘하게 재편되면서 진동 에너지 전달 효율과 전압 생성 능력이 동시에 높아진다. 두 특성이 함께 향상된 상승 효과로 출력 성능은 조사 전 대비 전압 약 240%, 전류 약 200% 증가했다.

한국원자력연구원 정읍 첨단방사선연구소의 고준위 감마선 조사 장치. 연구팀은 독자 기술로 제작한 에너지 하베스터에 감마선 처리 공정을 적용해 기존 대비 성능을 200% 끌어올렸다. 원자력연 제공

이번 연구는 감마선 조사로 에너지 하베스터 성능이 향상되는 원리를 세계 최초로 규명했다는 점에서 학술적 의의가 크다. 소자의 구조나 설계 변경 없이 사후공정만으로 출력을 높일 수 있어 산업 현장 적용도 용이하다. 

이정한 기기안전진단연구부 부장은 "원전 설비의 진동 에너지를 이용한 배터리 없는 무선센서 구현을 위한 핵심 기반기술을 확보했다"며 "출력 고도화 및 시스템 통합 연구를 통해 실제 원전 설비에 적용 가능한 자가발전 전원공급 기술로 발전시켜 나갈 계획"이라고 밝혔다.

<참고자료>
doi.org/10.1016/j.cej.2025.172406

[조가현 기자 gahyun@donga.com]