박재영 교수(전자공학과) 연구팀, 배터리 없이도 동작하는 고감도 압력센서 개발

- 바나듐 멕신이 기능화된 복합나노섬유 기반 고성능 나노발전기 개발 -

- 웨어러블 인체 활동 및 자세 실시간 모니터링 무전원 압력센서 개발 -

- 국제 저명 학술지 엘시비어 출판의 나노에너지에 논문 (IF:17.6) 게재-

본교 박재영교수 연구팀(전자공학과)은 높은 전기 음성도를 갖는 바나듐멕신(V2CTX-MXene)이 기능화된 불소고분자 복합 나노섬유 소재, 통기성을 갖는 고성능의 마찰전기 나노발전기, 그리고 배터리 없이도 인체활동 및 자세를 실시간 모니터링 할 수 있는 웨어러블 무전원 센서를 성공적으로개발했다.

(좌)박재영 교수와 오마르 박사과정(우)

최근 웨어러블 센서는 전자 피부, 로봇, 헬스케어 및 의료시스템, 인간-기계 인터페이스를 포함한 다양한 응용 분야에서 핵심기술로 각광을 받고 있지만, 이들 센서들을 구동하기 위한 전원 공급문제는상용화를 위하여 해결해야 할 중요한 과제이다. 이를 해결하기 위한 방안으로, 마찰전기 나노발전기를 이용하여 전원공급이 없이도 다양한 인체활동 및 생체정보를 실시간 모니터링하는 친환경 무전원 웨어러블 센서연구가 활발하게 이루어지고 있다.

본 연구팀은 전기방사 기술을 사용하여 높은 전기 음성도와 안정성, 그리고 유연성을가진 V2CTX@폴리(비닐리덴-플루오라이드-코-헥사플루오로프로필렌) 복합 나노섬유 매트를 성공적으로 개발하였고, 이를 이용하여 마찰 전기 나노발전기의 성능을 크게 향상시켰다. 바나듐 멕신 표면의 풍부한 작용기(-F, -O 및-OH)를 활용하여 전기 음성도를 높였고, 폴리머 매트릭스에 마이크로 커패시터 네트워크를 형성하여 전자 포획용량과 함께 유전 특성을 향상 시켰으며, 전하 손실은 크게 감소시켰다.

전기 양성도를 갖는 폴리에틸렌옥사이드(PEO) 나노섬유 매트와 결합하여 제작된 마찰 전기 나노발전기는 18.2W/m2의 높은 전력밀도를 나타냈으며, 이는 순수한 PVDF-HFP 나노섬유 기반 나노발전기보다 3.5배 더 높은 성능이다. 나노섬유 메트를 이용하여 제작된 나노발전기는 통기성이 뛰어나서착용성과 안정성이 우수하며, 다양한 인체 활동으로부터 수확된 에너지는 스톱워치나 온습도계와 같은 상업용 전자기기 구동에 필요한 전기를 충분히 공급하였다. 또한 25.17 VkPa-1(1~42kPa)의 높은 민감도를 가진 무전원 웨어러블 압력센서로 활용하여, 걷기, 달리기, 점프, 앉기 및 자전거 타기 등 다양한 인체활동 및 자세의 실시간 모니터링에 성공적으로 시연하였다. 연구팀이 개발한 나노발전기 기반의 무전원 센서는 전자피부, 로봇, 휴먼-머신 인터페이스, 다양한 웨어러블 의료 및 헬스케어 기기 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: 17.6)에 논문이 게재되었다. https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.109787

<바나듐 멕신이 기능화된 불소고분자 복합 나노섬유 매트 기반 마찰 전기 나노발전기와 무전원 압력 센서의 주요성능, 그리고 자가 구동 인간 활동 및 자세 모니터링 응용 예시>