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🅣•TREND•TECHNOLOGY/TECHNOLOGY

민들레 씨앗처럼 퍼지는 센서...워싱턴대, 배터리 필요없는 초소형 센서 연구

다양한 종류와 형태의 센서, 초소형 반도체, 엣지 컴퓨팅, 그리고 인공지능. 사물인터넷(IoT) 에코시스템에서 가장 중요한 것은 없다. 모두가 필요하고 모두가 중요한 것들이다. 네트워크로 연결된 수많은 센서는 IoT 시대의 말초신경과 같다. 데이터가 측정되거나 생성되는 곳이라면 센서가 있어야 하고, 간편하고 빠르면서 효율적으로 데이터를 수집할 수 있는 센서는 성공적인 IoT 플랫폼을 구축하는 출발점이다. 

워싱턴대학 연구팀이 농업이나 기후 변화 연구 등에 활용할 수 있는 특별한 무선 센서를 개발 중이다. 마치 민들레 씨앗처럼 바람에 날리도록 디자인해 빠른 시간에 넓은 공간에 배포할 수 있어, 센서 설치 시간과 비용을 절약할 수 있다. 전원은 초소형 태양 전지판을 통해 얻기 때문에 배터리가 필요 없다는 것도 특징이다. 

현재 연구 중인 무선 센서는 농장이나 삼림처럼 넓은 지역에서 온도와 습도 등의 데이터를 수집을 효율적으로 할 수 있는 데 초점이 맞춰져 있다. 넓고 방대한 지역에서 수시로 변하는 날씨 변화를 실시간으로 모니터링하면, 이렇게 수집된 데이터를 기반으로 디지털 농업이나 산림 관리가 가능하기 때문이다.

민들레 씨앗이 바람에 퍼지는 것을 응용해 만든 초소형 무선 센서, 빛, 온도, 습도, 압력을 측정할 수 있는 센서와 전원을 공급하는 태양 전지판으로 구성되어 있다. (자료:Mark Stone/University of Washington)


문제는 방대한 지역에 수 백 수 천 개의 센서를 물리적으로 배치하는 데 적지 않는 시간과 비용이 필요하다는 것이다. 그래서 워싱턴대 연구팀은 민들레 씨앗이 바람에 날려 퍼지는 것처럼, 바람을 이용해 살포할 수 있는 무선 센서를 개발 중이다. 이번 연구 결과는 배터리가 필요 없는 무선 장치의 바람 확산(Wind dispersal of battery-free wireless devices)이라는 제목으로 네이처(nature)에 소개됐다. 

연구 중인 무선 센서의 무게는 약 30mg으로 무게가 약 1mg 정도인 민들레 씨앗만큼 가볍지는 않다. 가볍게 만드는 것은 한계가 있는 만큼 공중에서 땅으로 떨어지는 시간을 최대한 줄이도록 75개의 디자인을 테스트하며 실험했다고 연구팀은 밝혔다. 이러한 디지 안을 통해 약한 바람에 의해 최대 100m까지 이동하는 것이 가능하다. 

동전 모양의 원형 필름처럼 생긴 운반체에는 빛, 온도, 습도, 압력을 측정할 수 있는 센서와 무선 데이터 전송 장치 등이 온보드 형태로 탑재되고, 전원 공급은 초소형 태양 전지판이 담당한다. 바람에 날리다가 땅에서 멈췄을 경우, 태양 전지판이 태양과 수직으로 향하도록 모양과 구조를 갖도록 만들어, 민들레 씨앗처럼 일관된 수직 방향으로 떨어지도록 설계했다.

태양으로부터 빛을 받을 수 있는 맑은 날 낮에는 최대 60m 거리까지 센서에서 수집한 데이터를 전송할 수 있다. 현재 개발된 시제품 단계의 센서는 드론 등을 이용해 한 번(a single drop)에 1,000개 정도를 살포할 수 있기 때문에, 광범위한 지역에서 센서를 설치할 때 효과적이라는 것이 연구팀의 설명이다. 

문제는 태양으로부터 전원을 공급받아야만 작동할 수 있기 때문에, 해가 지거나 눈이나 비가 내리면 사용할 수 없다. 이런 상황에서는 센서가 작동을 멈추는데, 다시 해가 뜨거나 나왔을 때 센서를 다시 구동하려면 시스템을 재시작할 수 있는 에너지가 필요하다. 연구팀은 커패시터(capacitor)를 탑재해서 태양으로부터 충분한 전기를 얻을 수 있을 때, 전체 시스템을 재 시동하는 데 필요한 전기를 공급하는 방법으로 이 문제를 해결했다.

현재는 초기 단계의 연구인 만큼 아직은 개선할 여지가 적지 않다. 특히 자연 생태계를 오염 시킬 수 있다는 점은 가장 먼저 넘어야할 산이다. 물리적으로 고장나지 않으면 계속해서 동작하지만, 한번에 대량으로 살포하기 때문에 환경 오염 문제를 일으킬 수 있다. 그래서 연구팀은 시간이 지나면 자연적으로 분해되는 생분해성 소재로 적용하는 방법도 연구 중이다.

 

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