공기 중 수분으로 전기 생성했던 한양대 최창순 교수팀, 이번엔 사람 호흡 속 수분으로 전기 생산 … 배터리 없는 착용형 전자기기 응용 기대

한양대학교는 바이오메디컬공학부 최창순 교수 연구팀이 사람의 호흡에서 발생하는 수분을 전기에너지로, 효율적으로 변환할 수 있는 피부 부착형 탄소나노튜브(CNT) 기반의 신축성 패치를 개발했다고 1일 밝혔다.

이번 연구는 성균관대 기계공학부 백상열 교수 연구팀과 공동으로 진행했다.

최 교수 연구팀은 앞서 공기 중 습도에 반응해 전기를 생성하는 섬유형 인공근육을 세계 최초로 개발한 바 있었다.

기존 피부 부착형 수분 에너지 수확 기술은 피부의 습기나 움직임 등 현실적인 사용 환경에서 신축성과 접착력이 떨어지는 한계가 있었다. 습한 환경에서 접착력 저하로 장치가 쉽게 분리되는 문제가 있었다.

공동 연구팀은 이를 극복하기 위해 CNT를 마이크로 수준의 주름 형태로 설계하고, 기판에 흡착컵(suction-cup) 형태의 특수 패턴 구조를 적용해 높은 신축성과 우수한 피부 부착력을 동시에 구현했다.

또한 CNT 표면에 전기화학적 산화 처리를 통해 비대칭적으로 산소 작용기를 도입함으로써 습기 노출 시 양성자 확산을 이용한 전기 발생 효율을 극대화했다.

개발된 패치는 주변 습도 변화만으로 최대 102㎷의 전압과 1.75㎃/㎡의 전류를 생성할 수 있다. 300%에 이르는 높은 신축성에서도 안정적인 전기 생산이 가능하다. 건조한 피부는 물론 땀이 많은 습윤 환경에서도 최대 3.66N/㎠의 강력한 접착력을 유지해 다양한 신체 부위에서 활용할 수 있다.

연구팀은 해당 패치를 사람의 코 아래에 부착해 운동 후 변화하는 호흡 패턴을 실시간으로 관찰했다. 이는 배터리 없이 자가 구동이 가능한 차세대 헬스케어 모니터링 시스템으로 발전할 가능성을 보여준다.

최 교수는 "이번 기술은 수분에서 전기 에너지를 효율적으로 수확하면서 습윤 조건에서도 안정적인 접착성을 확보한 혁신적인 연구 성과"라며 "앞으로 스마트 의료기기와 착용형 전자기기 등 다양한 분야에서 배터리 없는 친환경 자가 구동 장치로 응용될 것으로 기대한다"고 말했다.

이번 연구 성과는 미국화학회(ACS)에서 발간하는 재료과학과 나노기술 분야 국제학술지 'ACS Nano'에 지난달 26일 온라인 게재됐다. 한양대 손원경 박사, 성균관대 김지현 석사과정생, 동국대 김지은 석사가 공동 제1저자, 백상열 교수와 최창순 교수가 교신저자로 각각 참여했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단, 한국기초과학지원연구원, 한양대 교내연구비의 지원을 받아 수행됐다.