광운대 박재영 교수(전자공학) 연구팀, 일상에서 고출력 전기 생산하는 친환경 나노발전기 개발

광운대 전자공학과 박재영 교수와 박사과정 로비우 학생(사진 왼쪽부터)

광운대학교 박재영(전자공학) 교수 연구팀은 양이온성을 갖는 Poly-DADMAC(폴리디알릴 디메틸 암모늄 클로라이드)와 PEO(폴리에틸엔 옥사이드) 고분자 전해질 합성 후 전기방사 기술을 적용, 매우 높은 전기양성도를 갖는 복합나노섬유 소재를 세계 최초로 개발하고, 이를 이용해 고출력의 웨어러블 마찰전기 나노발전기와 무전원 압력센서를 개발하는데 성공했다.

최근 웨어러블 의료 및 헬스케어 스마트기기, 전자 피부, 소프트 로봇, 휴먼-머신 인터페이스 등의 응용 분야에서 고감도의 웨어러블 압력센서 및 친환경 전원 기술의 수요가 크게 증가하고 있다. 압저항, 용량성 및 광학 원리와 같은 메커니즘을 이용한 기존 압력센서는 구동을 위해 별도의 전원 공급 장치가 필요하고 실시간 모니터링 시 전력 소비가 증가하는데다 센서 시스템의 부피가 커 휴대가 어려운 점 등 많은 단점이 있는데, 이를 해결하고자 웨어러블 마찰전기 나노발전기 개발 연구가 세계적으로 활발하게 진행되고 있다.

대부분의 핵심 연구는 출력 향상을 위해 전기음성도를 갖는 나노소재 개발인데 출력 또한 크지 않아 상용화가 이루어지지 않고 있는 상황이다. 박재영 교수 연구팀은 이같은 문제점들을 해결하기 위해 높은 전기 양성도를 갖는 PEO@Poly-DADMAC 복합나노섬유 개발 연구를 독창적으로 수행했다.

박재영 교수 연구팀은 세계 최초로 전기방사 기술을 이용해 양이온성 Poly-DADMAC와 PEO를 융합한 복합나노섬유를 개발했고, 음이온성을 갖는 PVDF 나노섬유와 결합해 고출력의 웨어러블 마찰전기 나노발전기를 제작하는데 성공했다. PEO 나노섬유와 비교해 유전율을 2배나 향상 시켰으며, 전자 공여 친화력 및 표면 전하 트래핑 기능을 크게 높임으로써 1.5배 증가한 고출력 나노발전기를 성공적으로 개발한 것이다.

이번에 개발된 웨어러블 나노발전기는 일상 생활의 인체 활동(주파수 4Hz 이하)에서 980V의 높은 출력전압, 5.6W/m²의 출력밀도, 10MΩ의 부하 저항을 나타냈는데 이는 다양한 저전력 웨어러블 스마트기기 및 사물인터넷 기기를 직접 충전할 수 있는 전력이다. 또, 웨어러블 나노발전기는 25kPa 이하의 압력 범위에서 8.923V/kPa의 초고감도를 갖는 무전원 압력 센서로도 시연해 실생활 활용가능성을 타진했다.

실시간 손가락 누르기 신호를 통해 무선 게임 인터페이스를 제어하고, 운동선수의 활동과 제스처를 실시간 모니터링할 수 있는 점도 입증했다. 따라서 개발된 웨어러블 나노발전기와 무전원 압력센서는 웨어러블 의료 및 헬스케어, 전자피부, 휴먼-머신 인터페이스, 웨어러블 전자기기, VR/AR/MR, 게임 등에 폭넓게 활용 및 응용될 것으로 기대된다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 재원으로 한국연구재단 중견연구자 지원(NRF-2020R1A2C2012820) 및 산업통상자원부의 산업기술혁신사업(RS-2022-00154983, 저전력 센서와 구동을 위한 자립형전원 센서 플랫폼 개발)의 지원으로 수행됐고, 연구 결과는 세계 최고의 기능성 소재 및 소자 전문 저널인 와일리(WILEY) 출판의 어드밴스드 펑셔널 머트리얼즈 (Advanced Functional Materials, IF: 18.8) 논문에 게재되었다.

온라인 중앙일보