박재영 광운대 전자공학과 교수 연구팀, 손가락 움직임으로 고출력 전기 생산
박재영 광운대 전자공학과 교수 연구팀, 손가락 움직임으로 고출력 전기 생산
  • 복현명
  • 승인 2023.05.12 11:09
  • 댓글 0
이 기사를 공유합니다

박재영(왼쪽) 광운대학교 전자공학과 교수와 소헬 박사, 살라우딘 박사. 사진=광운대.
박재영(왼쪽) 광운대학교 전자공학과 교수와 소헬 박사, 살라우딘 박사. 사진=광운대.

[스마트경제=복현명 기자] 박재영 광운대학교 전자공학과 교수 연구팀이 매우 높은 전기음성도를 갖는 바나듐 멕신(V2CTx)/실리콘 나노복합소재와 이를 이용한 고탄성 마찰전기 나노발전기와 무전원 웨어러블 촉각센서를 개발하는데 성공했다.

휴먼-머신 인터페이스와 수화 언어는 인간의 손 동작과 방향, 손가락 굽힘, 기타 다양한 동작 기능에 크게 의존한다. 최근 손동작, 손가락 구부리기 등의 작은 인체 움직임을 정확하게 실시간 감지할 수 있는 웨어러블 센서 연구가 많이 수행되고 있다. 

이런 센서들이 실제 제품으로 활용되기 위해서는 고감도, 선형성, 빠른 응답 시간, 기계적 유연성, 신축성이라는 주요 성능기준을 충족해야 한다. 

최근까지 웨어러블 센서의 감도와 감지 범위를 증가시키 위해 반구, 나노와이어, 피라미드와 같은 수많은 마이크로 나노 구조와 장치 설계 연구가 이루어지고 있다. 

그러나 이러한 마이크로 나노 구조의 설계, 제조 공정이 복잡하고 센서의 수율과 재현성 그리고 신축성이 낮은 문제점이 있다. 

본 연구팀은 이러한 문제들을 해결하기 위해 V2CTx/실리콘 나노복합소재와 구조적 신축성을 갖는 뱀 모양 (Serpentine)의 마찰전기 나노발전기의 전하 생성 층(CGL)을 처음으로 개발했다.

연구팀은 바나듐 멕신 표면의 풍부한 작용기를 이용해 실리콘 표면의 전기음성도를 크게 증가시킴으로써 표면 전위와 전하 밀도를 크게 향상시켰고 2D 구조의 나노물질 특성을 활용하여 V2CTx/실리콘 나노복합체 표면의 유효 접촉 면적 또한 증가시켰다. 구불구불한 뱀모양으로 나노발전기를 설계, 제작함으로써 매우 높은 민감도와 유연성, 신축성을 동시에 확보했다.

제조된 나노발전기는 19.75 W/m2의 높은 피크 전력 밀도와 기계적 신축성(400%)을 나타냈으며 이는 지금까지 발표된 나노발전기들 보다 훨씬 우수한 특성이다. 

나노발전기는 또한 매우 높은 민감도(4.93 VkPa-1)와 빠른 응답 시간(21ms)을 갖는 무전원 웨어러블 촉각센서로 활용돼 인체 동작을 실시간 모니터링 할 수 있음을 입증했다. 

스마트폰을 통한 손가락 동작 감지, 텍스트 변환을 사용한 수화 통역, 그리고 손가락 터치로 제어되는 가상 현실 자동차 게임을 성공적으로 시연했다. 

나노발전기는 스톱워치와 스마트 손목시계에 지속적으로 전원을 공급할 수 있는 반영구적 친환경 전원으로도 시연됐다. 

따라서 개발된 스트레처블 나노발전기와 무전원 센서는 전자피부, 휴먼-머신 인터페이스, 수화통역, VR/AR/MR, 스마트 드론 등에 폭넓게 활용, 응용될 것으로 기대된다.

이번 연구는 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단 중견연구자 지원(NRF-2020R1A2C2012820)과 해외우수과학자초청사업 (Brain Pool Program)의 지원을 받아 수행됐고 연구 결과는 세계 최고의 에너지 소재, 소자 전문 저널인 와일리 (Wiley) 출판의 어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials, IF: 29.698)에 논문이 게재됐다.

 

 

복현명 기자 hmbok@dailysmart.co.kr


댓글삭제
삭제한 댓글은 다시 복구할 수 없습니다.
그래도 삭제하시겠습니까?
댓글 0
댓글쓰기
계정을 선택하시면 로그인·계정인증을 통해
댓글을 남기실 수 있습니다.