광운대 박재영 교수(전자공학) 연구팀, 신축성 뛰어난 인체활동모니터링 무전원센서 개발

(왼쪽부터) 광운대 전자공학과 박재영 교수와 석사과정 김홍석 학생

광운대학교 박재영 교수(전자공학과) 연구팀이 신축성이 뛰어난 에코플렉스(Ecoflex)와 이황화몰리브덴(MoS2) 나노 복합소재를 개발해 전도성 직물 전극에 증착함으로써 고출력을 갖는 마찰전기 나노발전기와 고감도의 인체활동 모니터링 무전원 센서를 손쉽게 제작하는 기술을 개발했다.

최근 웨어러블 의료 및 헬스케어 스마트기기, 전자 피부, 소프트 로봇, 휴먼-머신 인터페이스 등의 응용 분야에서 고감도 웨어러블 압력/인장 센서 및 친환경 전원 기술의 수요가 크게 증가하고 있다. 압저항, 용량성 및 광학 원리와 같은 동작 메커니즘을 이용한 기존 압력/인장 센서는 구동을 위한 별도 전원 공급장치 필요, 실시간/연속 모니터링 시 전력소비 증가, 시스템 부피로 인한 낮은 휴대성 등의 단점이 있어 이를 해결하고자 웨어러블 마찰전기 나노발전기 개발 연구가 세계적으로 활발히 진행되는 상황이다. 특히 성능, 신뢰성, 신축성이 우수하고 생체친화적인 무전원 압력/인장 센서는 운동선수와 환자의 생체역학적 또는 생리학적 신호 등 실시간/연속 모니터링이 필요한 디지털 의료 및 헬스케어 시스템의 핵심 기술이다.

연구팀이 개발한 고성능의 마찰전기 나노발전기는 에코플렉스/이황화몰리브덴 나노복합소재를 전자수용층으로 사용해 신축성이 탁월하다. 이황화몰리브덴은 층상 구조와 높은 비표면성으로 우수한 전하 축적 특성을 제공하며, 나노복합체의 시너지 효과로 전력 밀도가 크게 향상됐다. 또, 3D 프린팅기술로 제작된 템플릿을 사용해 나노복합소재 표면에 미세 구조를 도입함으로써 성능을 극대화했다. 이렇게 개발된 디바이스는 신축성이 뛰어나며(230%) 2차원 나노물질인 MoS2와 Ecoflex의 결합으로 초고감도(17.18V/kPa) 및 높은 전력 밀도(11W/m²)를 나타냈다. 웨어러블 스마트기기의 친환경 전원 기술과 손가락, 손목, 팔꿈치, 무릎 등 인체 움직임을 실시간 모니터링할 수 있는 무전원 센서 기술로 성공적으로 시연돼 디지털의료 및 헬스케어, 전자피부, 휴먼-머신 인터페이스, 웨어러블 전자기기, VR/AR/MR, 게임, e-스포츠 등에 폭넓게 활용 및 응용될 것으로 기대된다.

이번 연구는 산업통상자원부의 한국산업기술진흥원(P0020967, 2024년도 산업혁신인재성장지원사업)과 산업기술평가원의 산업기술혁신사업(RS-2022-00154983, 저전력 센서와 구동을 위한 자립형전원 센서 플랫폼 개발), 2023년 광운대학교 교내연구자 지원사업으로 수행됐고 연구결과는 화학공학분야 최고 수준의 세계적 학술지 엘시비어(Elsevier) 출판의 케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal, IF: 15.1)'에 논문으로 게재됐다. 공동 1저자인 소헬 박사는 2023년 7월부터 방글라데시 공립대학(Noakhali Science and Technology University) 교수로 재직하고 있다.

온라인 중앙일보