광운대 박재영 교수 연구팀, 하이브리드 금속-유기 골격체 기반 초고출력 스트레처블 마찰전기 나노발전기 개발

박재영 교수(좌), 소헬 박사(우)

광운대학교 박재영교수 연구팀(전자공학과)은 사방정계 몰리브덴 산화물(α-MoO3) 나노와이어와 금속-유기 골격체(MOF-525)를 실리콘(silicone)과 합성하여 초고음성도를 갖는 마찰전기 나노복합소재 개발에 성공했다. 나노복합체의 넓은 내부 표면적은 전하포획 능력을 크게 증가시킴으로써 마찰전기 나노발전기(TENG)의 성능을 크게 향상시켰다. 고출력 나노발전기는 인체활동 및 생체신호를 실시간 모니터링 할 수 있는 웨어러블 무전원 센서와 친환경 반영구 전원으로 활용되었다.

현재 주요 에너지원으로 사용되고 있는 화석연료나 핵연료는 자원고갈, 환경오염 등 다양한 문제점을 갖고 있기 때문에, 자연이나 우리의 일상생활에서 버려지는 진동, 열, 태양 에너지를 전기에너지로 변환하는 친환경 에너지기술에 관심이 높아지고 있다. 그 중에서도 인체의 움직임, 바람, 진동 같이 우리 주변에 버려지는 기계적 에너지를 전기에너지로 쉽게 변환할 수 있는 마찰전기 나노발전기는 웨어러블 의료/헬스케어 기기, 사물인터넷, 메타버스, 저전력 전자 디바이스 등 다양한 기기 및 산업분야에 친환경 에너지 발전소자 및 무전원 센서로써 활용이 기대되는 유망기술이다.

본 연구팀은 α-MoO3와 MOF-525를 실리콘에 합성하여 하이브리드 나노복합소재를 개발하고, 본소재를 음의 마찰층으로 사용하여 샌드위치 구조의 고출력 마찰전기 나노발전기(TENG)를 성공적으로 개발하였다. 이종 구조 네트워크를 갖는 나노복합소재는 전하 포획 및 전하 유도 능력을 크게 향상시키고 산소 원자와 상당한 내부 표면적을 통합하여 더 큰 음전하를 생성하였다. 3차원 인쇄 템플릿을 사용하여 나노복합소재의 표면에 미세 구조를 추가적으로 형성하여 접촉 면적을 크게 향상시켰다.

개발된 TENG는 순수 실리콘 기반 TENG보다 11배 더 높은 초고감도(105.18V/Kpa), 신축성(250%), 출력밀도(18.38W/m2)를 나타냈다. 고출력의 TENG는 휴대 및 웨어러블 전자 장치에 친환경 반영구적 전원기술로 활용 가능하다. TENG를 기반으로 한 웨어러블 생체 동작 센서를 제작하여 비침습적 실시간 생체 동작 감지 및 관절 활동 모니터링, 호흡 및 맥박 모니터링을 성공적으로 시연하였다. 또한 본 연구팀은 고출력 마찰전기 나노발전기를 배터리를 대체하는 친환경 전원으로 활용하여 스마트폰 애플리케이션을 통해 근전도 신호를 실시간 모니터링하였다. 고출력 나노발전기는 전자피부, 휴먼-머신 인터페이스, 다양한 무전원 센서 등에 폭넓게 활용 및 응용될 것으로 기대된다.

이번 연구는 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단 중견연구자 지원(NRF-2020R1A2C2012820)과 산업통상자원부의 산업기술혁신사업(RS-2022-00154983, 저전력 센서와 구동을 위한 자립형전원 센서 플랫폼 개발)의 지원사업으로 수행되었고, 연구 결과는 화학공학분야 최고 수준의 세계적 학술지인 엘시비어 (Elsevier) 출판의 케미컬 엔지니어링 저널 (Chemical Engineering Journal, 인용지수: 17.06)'에 논문이 게재되었다. 1저자인 소헬 박사는 2023년 7월부터 방글라데시 공립대학, Noakhali Science and Technology University, 교수로 재직하고 있다.

온라인 중앙일보