ADVERTISEMENT

광운대 박재영교수팀, 스트레처블 고성능 무전원 촉각센서 개발

중앙일보

입력

광운대 박재영교수 연구팀(전자공학과)은 지르코늄 금속유기골격체(Metal Organic Framework, MOF-525)와 코발트 나노 다공성 탄소-멕신(MXene) 나노복합소재를 이용하여 초고도의 신축성, 내습성, 고성능을 갖는 스트레처블 마찰전기 나노발전기와 무전원 촉각센서를 개발하는데 성공하였다. 금속유기골격체는 골격체 내부에 다양한 화학물질을 탑재할 수 있는 구조를 갖춘 나노소재로, 향후 이를 활용해 새로운 개념의 센서 및 전자소자 개발에 큰 영향을 줄 것으로 기대된다.

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 기술에 관심이 높아지고 있다. 그 중에서도 인체의 움직임, 바람, 진동 같은 기계적 에너지를 전기에너지로 변환하는 마찰전기 나노발전기는 웨어러블 의료/헬스케어 기기, 사물인터넷, 저전력 전자 디바이스 등 다양한 기기 및 산업분야에 친환경 에너지 발전소자 및 무전원 센서로써 활용이 기대되는 유망기술이다.

본 연구팀은 높은 신축성을 갖는 전도성 원단(Conductive stretchable Fabric) 위에 코발트 나노 다공성 탄소(Co-NPC), 멕신(MXene), 에코플렉스(Ecoflex, 부드러운 실리콘)을 합성한 나노복합물질을 하이브리드 증간층으로 증착하고, 그 위에 지르코늄 금속유기골격체(Metal-organic framework) 와 에코플렉스(Ecoflex, 부드러운 실리콘)을 합성한 소재를 전하 생성층으로 증착하여 이중 층 구조의 고출력 마찰전기 나노발전기를 새롭게 설계 및 제작하였다. 기능성 하이브리드 중간층(Co-NPC@Ecoflex@MXene)은 유도 전하를 증가시켜 마이크로 커패시터를 형성함으로써 발전기의 성능 향상을 위하여 사용되었다. 하이브리드 층은 전하 트래핑과 전하 수송의 두 가지 기능을 수행하며, Co-NPC의 다공성 구조는 기공이 전하 트랩 역할을 하기 때문에 전하를 트랩하는 데 사용되었고, 이러한 갇힌 전하는 재료 표면에 전하를 유도하여 발전기의 높은 전하 밀도를 얻는데 효과적이다. 멕신은 더 많은 유도 전하를 전하 트래핑 층으로 전달하고 높은 전도성과 작용기로 인해 전하 확산을 줄이는 데 사용되었다. 사용된 MOF-525는 나노발전기의 성능을 4배 향상시켰고, 더 많은 음전하를 축적하기 위해 사용된 하이브리드 중간층은 총 13배의 성능을 향상시켰다. 제작된 나노발전기는 이전에 보고된 TENG보다 우수한 특성과 성능(전력 밀도: 25.7 W/m2, 감도: 149 V/KPa, 내습성, 신축성: 245%)을 나타내었다.

본 연구팀은 제작된 웨어러블 나노발전기의 뛰어난 신축성과 기계적 자극에 대한 초고감도 특성을 활용하여 웨어러블 생체동작 모니터링, 고정밀 문자인식 및 자체구동 촉각장치를 성공적으로 개발하고 시연하였다. 개발된 스트레처블 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) 및 산업통상자원부의 산업기술혁신사업?(RS-2022-00154983,?저전력 센서와 구동을 위한 자립형전원 센서 플랫폼 개발)의 지원으로 수행되었고, 연구 결과는 세계 최고의 에너지 소재 및 소자 전문 저널인 엘시비어 (Elsevier) 출판의 나노에너지 (Nano Energy, IF: 19.069)에 논문이 게재되었다.

ADVERTISEMENT
ADVERTISEMENT
ADVERTISEMENT
ADVERTISEMENT