광운대 박재영 교수 연구팀, 기계 고장 진단 무전원 진동센서 개발

중앙일보

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박재영 교수(좌)와 트릴로찬 박사(우)

광운대학교 박재영 교수 연구팀(전자공학과)은 3D 프린팅 기술과 실록신-에코플렉스 나노 복합체를 이용하여 높은 탄성력을 갖는 기둥 어레이 구조 기반의 마찰전기 나노발전기를 설계 및 제작하였고, 이를 이용하여 광대역의 비주기적 기계 진동을 실시간으로 모니터링함으로써 결함 및 고장을 진단할 수 있는 고감도의 무전원 진동센서 개발에 성공했다. 또한 AI(인공지능) 기술을 접목하여 기계적 진동 데이터를 상세하게 분석함으로써 기계 내의 패턴, 결함 및 잠재적인 문제점들을 식별할 수 있고, 기계고장을 사전에 예방할 수 있음을 입증하였다.

접촉과 분리에 의존하는 전통적인 마찰전기 나노발전기와 달리 본 연구팀이 개발한 진동센서는 탄성 매크로 기둥으로 설계되었고, 진동 감지를 위해 직접적인 접촉에 의존하는 대신 기둥의 유연성과 고유한 탄력성을 활용하였다. 이 혁신적인 접근 방식을 통해 다양한 주파수와 진폭에 걸쳐 매크로 기둥의 무작위 전기역학적 동작에 반응하게 함으로써 광대역의 비주시적 기계 진동을 정밀하게 감지하였다.

기계 상태 실시간 모니터링 및 진단을 위한 탄성 기둥 어레이 기반 마찰 전기 나노발전기와 무전원 진동센서 개념도 및 성능

현재 기계적 진동을 모니터링하는 시스템은 내결함성과 자동화 향상을 목표로 가속도계, 자이로스코프, 스트레인 게이지 등 수많은 센서와 제어 회로가 통합되어 사용되고 있다. 그러나 이러한 센서들은 신호 변환 및 지속적인 사용을 위해서는 외부 전원이 필요하며, 시스템의 전체 전력 사용량을 크게 중가 시키는 문제가 발생한다. 본 연구팀은 고감도의 성능을 유지하면서 거의 0에 가까운 전력을 소비하는 센서기술로 실록신-에코플렉스(Siloxene-Ecoflex) 고탄성 매크로 기둥을 이용한 마찰 전기 기반 무전원 진동 센서를 성공적으로 개발하였다. 고탄성의 매크로 기둥들과 스티렌-에틸렌-부틸렌-스티렌(SEBS)의 마찰을 이용하여 전기를 생산하는 나노발전기 기반 무전원 진동센서를 제작하였다. 센서는 0.01~15kHz의 광범위한 주파수와 0.1~7.0g의 가속도 범위에서 탁월한 감지 기능을 제공한다. 특히, 최대 15kHz에 달하는 고주파수 응답특성은 매크로 기둥 내에 내장된 고유의 무작위 고탄성 진동 동작에 기인한다. 또한 센서는 낮음, 중간에 걸쳐 r2 = 0.99에서 2.033V/g(0.1-0.5g), 1.455V/g(0.5-2.0g) 및 1.116V/g(2.0-7.0g)의 뛰어난 가속 감도를 나타낸다.

본 연구팀은 데이터의 정교한 분석 및 처리를 위하여 AI(인공지능) 알고리즘을 활용하였고, 다양한 기계 설정환경에서 자가 동력식 기계 식별, 포괄적인 진동 검사 및 결함 모니터링을 성공적으로 시연하였다. 최첨단 나노소재와 지능형 처리의 융합은 향상된 감지 기능 뿐만 아니라 산업 전반에 걸쳐 사전 예방적인 기계 유지 관리 및 운영 효율성의 새로운 시대를 열어줄 것으로 기대된다. 또한, 이러한 혁신기술은 로봇공학을 넘어 지능형 기계 모니터링, 자동차 시스템, 배터리가 필요 없는 자율 장치 등 다양한 응용 분야에 활용 가능하다.

이번 연구는 연구재단 중견연구과제(NRF-2020R1A2C2012820)와 산업통상자원부의 산업기술혁신사업(RS-2022-00154983, 저전력 센서와 구동을 위한 자립형전원 센서 플랫폼 개발)의 지원으로 수행되었고, 연구 결과는 세계 최고의 에너지 소재 및 소자기술 전문 저널인 엘시비어 출판의 나노에너지 (Nano Energy, IF: 17.6)에 게재되었다.

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