광운대 박재영 교수팀, 배터리 없이 동작하는 고감도 압력센서 개발

광운대학교는 전자공학과 박재영 교수 연구팀이 높은 전기 음성도를 갖는 바나듐맥신(V2CTX-MXene)이 기능화된 불소고분자 복합 나노섬유 소재, 통기성을 갖는 고성능 마찰전기 나노발전기, 배터리 없이도 인체활동과 자세를 실시간 모니터링할 수 있는 웨어러블 무전원 센서를 성공적으로 개발했다고 19일 밝혔다.

웨어러블 센서는 전자 피부, 로봇, 헬스케어·의료시스템, 인간-기계 인터페이스를 포함한 다양한 응용 분야에서 주목받고 있다.

하지만 이들 센서를 구동하기 위한 전원 공급 문제는 상용화를 위해 풀어야 할 과제다. 해결 방안으로 마찰전기 나노발전기를 이용해 전원공급 없이도 다양한 인체활동과 생체정보를 실시간 모니터링하는 친환경 무전원 웨어러블 센서연구가 활발히 이뤄지고 있다.

연구팀은 전기방사 기술을 사용해 높은 전기 음성도와 안정성, 유연성을 가진 V2CTX@폴리(비닐리덴-플루오라이드-코-헥사플루오로프로필렌) 복합 나노섬유 매트를 개발하고, 마찰 전기 나노발전기의 성능을 크게 향상시켰다. 바나듐맥신 표면의 풍부한 작용기(-F, -O 및-OH)를 활용해 전기 음성도를 높였고, 폴리머 매트릭스에 마이크로 커패시터 네트워크를 형성해 전자 포획용량과 함께 유전 특성을 향상했으며 전하 손실은 크게 감소시켰다.

전기 양성도를 갖는 폴리에틸렌옥사이드(PEO) 나노섬유 매트와 결합해 제작된 마찰 전기 나노발전기는 18.2W/㎡의 높은 전력밀도를 나타냈다. 이는 순수한 PVDF-HFP 나노섬유 기반 나노발전기보다 3.5배 높은 성능이다. 나노섬유 메트를 이용해 제작한 나노발전기는 통기성이 뛰어나 착용성과 안정성이 우수하다. 다양한 인체 활동으로부터 수확된 에너지는 스톱워치나 온습도계와 같은 상업용 전자기기 구동에 필요한 전기를 충분히 공급했다.

또한 25.17VkPa-1(1~42kPa)의 높은 민감도를 가진 무전원 웨어러블 압력센서로 활용해 걷기, 달리기, 점프, 앉기, 자전거 타기 등 다양한 인체활동의 실시간 모니터링에 성공했다. 연구팀이 개발한 나노발전기 기반의 무전원 센서는 전자피부, 로봇, 휴먼-머신 인터페이스, 다양한 웨어러블 의료와 헬스케어 기기 등에 폭넓게 활용될 것으로 기대된다.

이번 연구 논문은 세계 최고의 에너지 소재·소자 전문 저널인 나노에너지 (Nano Energy에 실렸다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 재원으로 한국연구재단 중견연구자 지원, 산업통상자원부의 산업기술혁신사업의 지원을 받았다.