명지대 박용태 교수팀, 착용형 사물인터넷 기기 한계 극복할 고효율 나노발전기 개발 … 고온에서 마우스 클릭 등 미세 움직임도 감지해 에너지 변환

명지대학교는 기계시스템공학부 박용태 교수 연구팀이 마찰대전 나노발전기(TENG) 기술을 활용해 열적으로 안정적인 액체 전해질 기반의 형상 적응형 에너지 수확·촉각 감지 센서 기술을 개발했다고 12일 밝혔다.

고온에서도 안정적으로 작동하는 고효율 웨어러블 사물인터넷(IoT) 기기 개발에 기여할 것으로 기대된다.

이번 연구는 동국대 물리학과 정권범, 테크레브라한 교수 연구팀과 공동 진행했다.

최근 소형 기기를 인체에 착용해 개인의 건강 관련 정보를 측정하는 IoT 기기들이 관심을 받고 있다. 하지만 이들 기기는 배터리가 무겁고 잦은 충전과 교체가 필요하다는 점에서 사용에 제약이 따른다. 이에 외부 전원 없이 독립적으로 작동할 수 있는 웨어러블 기기에 대한 관심이 높아지고 있다.

에너지 변환장치인 TENG는 간단한 생산 방식, 가벼운 구조, 저렴한 가격 등의 장점으로 기존 IoT 기기의 한계를 극복할 유망한 대안으로 주목받는다.

연구진은 부드럽고 변형 가능하며 형태 적응성이 뛰어난 데다 고온에서도 안정적인 액체 기반의 TENG를 개발하고자 연구를 진행했다.

연구진이 개발한 액체 기반 TENG는 유연한 마찰전기층 외피가 액체 전극을 감싸는 구조다. 신축성, 유연성, 투명성 등의 장점이 있다. 또한 마찰 전기층 사이에 물리적 공기 간극이 없어 피부에 착용되는 전자 장치에 쉽게 통합할 수 있고, 손가락·팔꿈치·손목·무릎·발 등 다양한 부위의 미세한 생리 활동으로부터 에너지를 수확할 수 있다.

연구진은 기존 액체 기반 TENG가 지닌 낮은 투명성, 고온에서의 증발, 복잡한 합성 절차 등의 문제점을 해결하기 위해 비용 효율적이고 증기압이 낮으며 열적으로 안정적인 전해질인 폴리에틸렌이민과 재생 가능하며 생분해성인 염화콜린/글리세롤 심층 공융 용매를 액체 전극으로 사용했다. 이렇게 개발된 TENG는 섭씨 100도(℃) 환경에서 24시간 이상 노출된 후에도 안정적인 출력 성능을 유지했다.