고온에서도 안정 작동… 착용형 웨어러블 기기 에너지 문제 해결 기대
명지대학교 기계시스템공학부 박용태 교수 연구팀이 동국대학교와의 공동연구를 통해 액체 전해질을 이용한 형상 적응형 마찰대전 나노발전기(TENG) 기반 에너지 수확 및 촉각 감지 센서 기술을 개발했다. 이번 성과는 웨어러블 기기의 자가 발전 가능성과 촉각 센서 응용 분야에 새로운 전환점을 제시하며, 나노기술 분야의 국제 권위지인 「Small」에 게재되었다.
최근 웨어러블 헬스케어 기기의 발전과 함께 배터리 교체의 불편함을 줄일 수 있는 자가 발전형 기술의 필요성이 증가하고 있다. 박용태 교수 연구팀은 마찰대전 나노발전기(TENG)를 기반으로 외부 전원이 없이도 작동 가능한 에너지 수확 장치를 고안했다. 이 장치는 액체 전해질을 활용해 형태 적응성이 뛰어나고, 유연하며 피부에 밀착 가능한 특징을 지닌다.
특히, 기존 고체 기반 센서가 가지는 기계적 제약과 고온 환경에서의 안정성 문제를 극복했으며, 손가락, 손목, 팔꿈치, 무릎, 발 등 다양한 신체 부위의 움직임에서 발생하는 미세한 생리 신호를 활용해 전력을 생성할 수 있다.
연구팀은 고온에서도 안정적으로 작동할 수 있도록 증기압이 낮고 열적으로 안정된 폴리에틸렌이민(branched polyethyleneimine)과 choline chloride/glycerol 기반 심층 공융 용매를 액체 전극으로 채택했다. 이 구성은 섭씨 100도 환경에서도 24시간 이상 성능 저하 없이 작동 가능하다는 실험 결과를 통해 그 우수성이 입증되었다.
또한, 해당 전해질은 생분해성이 뛰어나고 재생 가능하여, 향후 친환경 웨어러블 디바이스 및 일회용 전자제품에도 응용 가능성이 크다는 평가를 받고 있다.
자가 구동형 4×4 어레이 촉각 센서로 감지 정확도도 대폭 향상
이번 연구의 또 다른 주목할 만한 성과는 액체 기반 TENG를 활용해 개발된 4×4 어레이 촉각 센서이다. 센서는 마찰대전 양극층과 음극층을 단일 구조 내에 통합해 감지 정확도를 높였으며, 접촉 위치와 압력을 동시에 식별할 수 있는 정밀한 감지 기능을 구현했다. 이는 기존 고체 기반 센서가 감지하기 어려운 복합 소재나 불규칙한 표면에서도 정확한 반응을 보이는 것으로 나타났다.
박용태 교수는 “이번 연구는 단순히 TENG 기술을 확장한 것이 아니라, 웨어러블 센서 및 자가 발전형 전자기기 분야의 실질적 문제 해결을 위한 응용 기술로 발전시킨 데 의의가 있다”고 밝혔다.
이번 연구 결과는 나노기술 분야 SCI 저널 중 상위 7.5%에 해당하는 국제 저명학술지 「Small」(Impact Factor 13.0)에 2025년 4월 22일자 온라인판으로 게재되었으며, 명지대학교 도서관의 지원을 통해 오픈액세스 논문으로 출판되었다. 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 중견연구자 지원사업(No. 2022R1A2C2006081, RS-2024-00352476)의 후원을 받아 수행되었다.
연구진은 향후 이 기술을 인체 친화형 헬스케어 센서, 재난 구조용 감지 시스템, 스마트 의류 등의 다양한 분야로 확장 적용해 나갈 계획이다.
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