무전원 수중 IoT 통신 기술...MIT, 배터리 필요없는 수중 센서 개발

인공지능과 빅데이터가 머리와 몸통이라면, 사물인터넷(IoT;Internet Of Things)은 감각기관에 비유할 수 있다. 시각, 청각, 미각, 촉각, 통각이 수집하고 전달한 수많은 감각 정보가 없다면, 생각하고 느끼고 판단해야 할 필요나 이유가 없어진다. 인공지능이나 빅데이터의 그늘에 가려 존재감이 상대적으로 적어 보이지만, 사물인터넷은 4차 산업혁명 시대에 핵심적인 역할을 하게 될 주인공 중에 하나다. 

 

MIT 연구팀이 이러한 사물인터넷의 지경을 더욱더 넓게 확장할 수 있는, 압전소자(piezoelectricity)와 센서로 구성된 통신 기술을 개발했다. 호수, 강, 바다와 같은 곳에서 수중 네트워크를 구축하는 것을 목표로 개발되었으며, 전력을 공급하는 배터리가 필요 없는 무전원 통신 시스템이라는 것이 특징이다. 따라서 배터리 교체를 위해 주기적으로 센서와 통신 시스템을 정비할 필요가 없다는 것이 장점이다.

 

 

MIT 연구팀이 압전효과를 이용해 센서 구동에 필요한 전력을 생산하고, 이를 활용해 데이터를 송수신하는 무전원 수중 센서 통신 시스템을 개발하고 있다.(사진:MIT뉴스)

 

압전소자는 진동을 가하면 전하가 발생하는 소재를 말한다. 즉, 진동을 이용해 전기를 만들 수 있는 물질을 압전소자라고 하고, 이러한 현상을 압전효과라고 한다. MIT 연구팀은 이러한 압전효과를 이용해 수중에서 데이터를 전송하는 통신 시스템을 개발했다. 송신기에서 발생시킨 음파를 센서로 전송하면, 센서 연결된 압전소자에 음파가 전달되고, 소리의 진동을 받은 압전소자에서 소량의 전하가 발생한다.

 

이렇게 생성된 전하를 축적하면 센서에서 감지한 데이터를 송신할 수 있는 에너지로 사용할 수 있다. 송신기에서 보내는 음파를 이용하는 것만으로는, 센서를 구동할 수 있는 충분한 에너지를 얻는 데 한계가 있다. 그래서 센서를 설치해 둔 물속에서 발생하는 주변의 음파를 활용해, 센서를 구동하는 데 필요한 충분한 전력을 확보한다.

 

센서 자체가 전력 소모량이 적기 때문에, 적은 전력으로 구동된다는 점도, 시스템이 원활하게 작동할 수 있도록 해주는 요인이다. MIT 개발한 센서는 2개의 트랜지스터만을 사용한다. 트랜지스터 수가 적으면, 그만큼 전력 소모량을 줄일 수 있다. 이러한 특징 때문에 배터리로 전원을 공급해야 하는 기존의 수중 센서와 비교할 때, 전력 소모량이 약 백만 배 적다고 연구팀은 밝혔다. 

 

데이터 송수신에는 RFID(Radio-Frequency Identification) 리더와 태그가 데이터를 주고받는 백스캐터(Backscatter) 방식의 기술을 사용한다. 백스캐터는 리더에서 무선신호를 태그에 보내고, 태그에서 반사된 신호를 다시 리더에서 수신하는 방법으로 데이터를 주고받는다. MIT가 개발한 무전원 통신 시스템 역시 송신기에서 보낸 음파를, 센서에서 수신하고 이를 반사하는 방식으로 데이터를 송수신한다.

 

송신기에서 보낸 음파를 수신한 센서가 반사하면 ‘1’, 반사하지 않으면 ‘0’으로 인식(Decoding)한다. 이진법을 사용하는 컴퓨터와 같은 방식으로 데이터를 인식하고 전달하는 셈이다. 이렇게 개발된 센서와 통신 시스템을 활용해, 수온과 압력을 측정하는 테스트를 성공적으로 완료했다. 테스트용 수조에 10미터 간격으로 설치된 센서와 수신기 사이를, 일초에 3,000바이트의 전송속도로 데이터를 전송한 것이다.

 

이번에 개발된 센서와 통신 기술을 활용하면, 해양 생태계부터 기후 연구 등 다양한 분야에 활용할 수 있을 것으로 전망된다. 장기간에 걸친 해양 동식물의 생태 연구, 조류나 해류의 변화, 해수면 상승, 염분의 변화, 빙하 연구 등 응용 분야는 다양하다. 앞으로 연구팀은 통신 거리를 연장하고, 동시에 여러 개의 센서가 통신하는 연구를 지속할 예정이다.

 

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