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연구성과

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박재영 교수 연구팀, 나노섬유 기반 고출력 나노발전기 및 무전원 센서 개발

  • 전자과
  • 2021-10-15
  • 100

박재영 교수 연구팀나노섬유 기반 고출력 나노발전기 및 무전원 센서 개발

양이온성 나일론 복합 나노섬유 기반 고출력 유연 나노발전기 개발 -

사람의 움직임을 실시간 모니터링 할 수 있는 고성능 무전원 압력센서 개발 -

국제 저명 학술지 엘시비어 나노에너지 논문 (IF:17.8) 게재 -

 

 

 


 

<박재영 교수()와 소헬 박사과정()>

 

 

본교 박재영 교수 연구팀(전자공학과)은 나일론(Nylon-11)에 양이온성 단량체인 Poly-DADMAC을 첨가하여 복합 나노섬유를 제작하고 이를 양이온성 대전물질로 사용하여 고출력의 마찰전기 나노발전기와 별도의 전원 없이도 인체의 움직임을 실시간 모니터링 할 수 있는 무전원 압력센서를 개발했다.

 

기존의 마찰전기 소재와 달리 개발된 복합 나노섬유는 넓은 표면적높은 유전율과 표면 전위기계적 강도가 높은 특성을 갖고 있어 다양한 형태의 고출력 나노발전기 및 무전원 센서 플랫폼 제작에 폭넓게 응용될 수 있다특히고출력의 전기 에너지를 수확할 수 있기 때문에 다양한 휴대 및 웨어러블 기기산업에 친환경 전원 및 센서 기술로 활용될 수 있을 것이라 기대된다.

  

최근 시장에 출시되고 있는 다양한 웨어러블 기기와 사물 인터넷(IoT) 신제품들의 소모 전력이 낮아짐에 따라 인체의 활동과 주변 환경으로부터 버려지는 물리적/기계적 에너지를 전기 에너지로 변환하여 기존 이차전지를 대체할 수 있는 친환경 전원으로 사용하기 위한 에너지 하베스팅 기술이 국내외적으로 매우 활발하게 연구되고 있다특히인체 활동과 주변 환경(작은 크기의 낮은 주파수의 움직임)에서도 큰 전기를 생산할 수 있고 쉽게 제작할 수 있는 가볍고 간단한 구조의 마찰전기 나노발전기에 대한 연구가 그 중 큰 주목을 받고 있다.

 

 

 


 

<나일론 복합나노섬유 기반 나노발전기와 무전원 압력센서 개념도와 타 연구결과와 특성비교>

 

 

본 연구팀은 나일론(Nylon-11)에 양이온성 단량체인 Poly-DADMAC을 첨가한 후 전기방사 기술을 이용하여 복합 고품질의 나노섬유를 세계 최초로 개발하였고, PVDF-TrFE 기반의 음이온성 나노섬유를 함께 적용하여 고출력의 마찰전기 나노발전기를 제작하였다나노발전기의 높은 출력은 제작된 복합나노섬유 표면에서 미세한 쌍극자의 형성으로 인하여 3배나 증가한 축전전하와 유전율 때문이다또한복합 나노섬유는 순수 나일론 나노섬유 보다 약 6배 이상의 높은 기계적 강도의 고내구성을 나타내었다.

 

마찰전기 나노발전기는 12 Hz 주파수 및 4 MΩ의 부하 저항 조건에서 최대 7.6 W/m2의 전력밀도의 출력을 나타내었고다양한 저전력 웨어러블 기기 및 IoT 제품 등을 직접적으로 충전할 수 있는 전력이다또한나노 발전기는 0~40 kPa 압력 범위 조건에서 0.01 V/KPa의 높은 압력 감지 민감도를 갖는 무전원 압력 센서로 활용될 수 있음을 입증하였다연구팀은 스마트폰 앱을 통해 느리게 혹은 빠르게 걷기뛰기점프하기 등과 같은 사람의 움직임을 실시간으로 모니터링하는 실험을 성공적으로 시연하였다또한 본 연구팀이 개발한 복합 나노섬유와 그 제작 방법은 나노발전기 적용뿐만 아니라다양한 플렉시블 센서 및 에너지 저장소자 개발에도 쉽게 활용할 수 있다.

 

한편이번 연구는 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단 중견연구자 지원(NRF-2020R1A2C2012820)을 받아 수행되었고연구 결과는 세계 최고의 에너지 연구 전문 저널인 엘시비어 (ELSEVIER) 출판의 나노 에너지 (Nano Energy, IF: 17.8)에 게재되었다.

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.106300