광운대 박재영교수팀, 손가락 움직임으로 고출력 전기 생산

광운대 박재영교수 연구팀(전자공학과)은 매우 높은 전기음성도를 갖는 바나듐 멕신(V2CTx)/실리콘 나노복합소재와 이를 이용한 고탄성 마찰전기 나노발전기와 무전원 웨어러블 촉각센서를 개발하는데 성공하였다.

휴먼-머신 인터페이스와 수화 언어는 인간의 손 동작 및 방향, 손가락 굽힘 및 기타 다양한 동작 기능에 크게 의존한다. 최근 손동작, 손가락 구부리기 등의 작은 인체 움직임을 정확하게 실시간 감지할 수 있는 웨어러블 센서 연구가 많이 수행되고 있다. 이러한 센서들이 실제 제품으로 활용되기 위해서는 고감도, 선형성, 빠른 응답 시간, 기계적 유연성 및 신축성이라는 주요 성능기준을 충족해야 한다. 최근까지 웨어러블 센서의 감도와 감지 범위를 증가시키 위하여 반구, 나노와이어 및 피라미드와 같은 수많은 마이크로 나노 구조와 장치 설계 연구가 이루어지고 있다. 그러나 이러한 마이크로 나노 구조의 설계 및 제조 공정이 복잡하고, 센서의 수율과 재현성 그리고 신축성이 낮은 문제점이 있다. 본 연구팀은 이러한 문제들을 해결하기 위하여 V2CTx/실리콘 나노복합소재와 구조적 신축성을 갖는 뱀 모양 (Serpentine)의 마찰전기 나노발전기의 전하 생성 층(CGL)을 처음으로 개발하였다.

본 연구팀은 바나듐 멕신 표면의 풍부한 작용기를 이용하여 실리콘 표면의 전기음성도를 크게 증가시킴으로써 표면 전위와 전하 밀도를 크게 향상시켰고, 2D 구조의 나노물질 특성을 활용하여 V2CTx/실리콘 나노복합체 표면의 유효 접촉 면적 또한 증가시켰다. 구불구불한 뱀모양으로 나노발전기를 설계 및 제작함으로써 매우 높은 민감도와 유연성, 신축성을 동시에 확보하였다.

제조된 나노발전기는 19.75 W/m2의 높은 피크 전력 밀도와 기계적 신축성(400%)을 나타냈으며,이는 지금까지 발표된 나노발전기들 보다 훨씬 우수한 특성이다. 나노발전기는 또한 매우 높은 민감도(4.93 VkPa-1)와 빠른 응답 시간(21ms)을 갖는 무전원 웨어러블 촉각센서로 활용되어 인체 동작을 실시간 모니터링 할 수 있음을 입증하였다. 스마트폰을 통한 손가락 동작 감지 및 텍스트 변환을 사용한 수화 통역, 그리고 손가락 터치로 제어되는 가상 현실 자동차 게임을 성공적으로 시연하였다. 나노발전기는 스톱워치와 스마트 손목시계에 지속적으로 전원을 공급할 수 있는 반영구적 친환경 전원으로도 시연되었다. 따라서 개발된 스트레처블 나노발전기와 무전원 센서는 전자피부, 휴먼-머신 인터페이스, 수화통역, VR/AR/MR, 스마트 드론 등에 폭넓게 활용 및 응용될 것으로 기대된다.

이번 연구는 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단 중견연구자 지원(NRF-2020R1A2C2012820)과 해외우수과학자초청사업 (Brain Pool Program)의 지원을 받아 수행되었고, 연구 결과는 세계 최고의 에너지 소재 및 소자 전문 저널인 와일리 (Wiley) 출판의 어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials, IF: 29.698)에 논문이 게재되었다.

온라인 중앙일보