경북대-카이스트, 신소재'맥신'으로 '에너지 저장+변형 감지'동시 가능 소자 개발

웨어러블 기기에서 움직임과 변형을 고감도로 감지하면서 에너지 저장도 가능한 이중기능소자가 개발됐다.

경북대학교는 이용희 나노신소재공학과 교수가 이진우 카이스트 생명화학공학과 교수, 나노종합기술원 연구팀과 공동으로 차세대 소재인 맥신(MXene)을 이용해 '에너지 저장'과 '구부림 변형 감지'가 동시에 가능한 '이중기능소자'를 개발했다고 11일 밝혔다.

이용희 경북대 나노신소재공학과 교수

최근 스마트워치, 헬스 모니터링 기기와 같은 웨어러블 디바이스가 빠르게 확산되면서, 에너지를 오래 저장하면서도 착용자의 움직임을 정밀하게 감지하는 고성능 장치의 수요가 증가하고 있다. 현재 사용되는 리튬 이온 배터리는 크기와 유연성에 한계가 있어 소형 웨어러블 기기에 적합하지 않고, 반복적인 충·방전으로 인해 성능이 저하되는 문제가 있다. 동시에, 웨어러블 기기에서 효율적인 동작 감지를 위해 고감도의 센서가 필수적이지만, 기존 센서들은 민감도가 낮아 정밀한 감지가 어려운 실정이다.

에너지 저장과 구부림 변형 감지 가능한 이중 기능 맥신 소자 모식도

연구팀이 개발한 '이중기능소자'는 맥신의 독특한 전기화학적 특성 중 '슈도캐패시턴스(유사축전용량)' 특성을 활용해 기기의 변형에 따른 미세한 움직임을 감지할 수 있도록 설계됐다. 슈도캐패시턴스는 특정 이온의 화학 반응을 통해 빠르게 에너지를 저장하는 특성으로, 개발된 소자는 구부리거나 비틀 때 발생하는 국소적인 pH 변화로 전기용량이 달라지고 이를 통해 움직임을 매우 민감하게 감지할 수 있다.

연구팀은 개발된 소자의 센서 민감도가 기존 구부림 변형 센서보다 약 1200배 높아 스마트워치나 건강 모니터링 기기와 같은 웨어러블 장치에서 탁월한 성능을 발휘할 것으로 보인다고 설명했다.

이용희 교수는 “그동안 맥신의 고유한 슈도캐패시턴스 특성으로 에너지 저장소자 분야에서 많은 성과가 있었다. 이번 연구는 이를 새로운 응용처인 센서 소자로까지 확장 시켰다는 점에서 그 의의가 크다”면서 “특히, 에너지 저장과 고감도 센싱을 하나의 소자에서 구현함으로써 웨어러블 기기, 의료 모니터링, 스마트 센서 분야에 근본적인 변화를 일으킬 수 있을 것이다.”고 밝혔다.

나노종합기술원의 반도체-이차전지 인터페이싱 플랫폼 기술개발 사업과 한국연구재단의 나노 및 소재 기술개발사업의 지원으로 수행된 이번 연구성과는 최근 JCR 분야 상위 1% 국제학술지인 '나노-마이크로 레터스(Nano-Micro Letters)' 에 온라인 게재됐다.

대구=정재훈 기자 jhoon@etnews.com