박재영교수팀, 전원이 필요 없는 보행 분석 스마트 깔창 개발

- 이중층 나노섬유 기반 고출력 마찰전기 나노발전기 개발 -

- 나노발전기 기반 무전원 압력센서와 딥러닝 기술을 접목한 보행분석 스마트 깔창(인솔) 개발 -

- 국제 저명 학술지 엘시비어 출판의 나노에너지 (IF:19.06)에 논문 게재 -

본교 박재영교수 연구팀(전자공학과)은 마찰전기 나노발전기 기반 무전원 압력센서에 딥러닝 기술을 접목한 보행 분석 스마트 깔창(인솔)을 개발하는데 성공하였다. 신발 깔창에 부착된 무전원 압력센서와 블루투스를 이용하여 사용자의 보행 패턴을 실시간으로 측정 및 모니터링함으로써 보행 분석 및 교정, 행동 분석, 보안 시스템 및 질병 예방에 폭 넓게 활용할 수 있다.

<박재영 교수(좌), 쿠마르 석박통합과정(우)>

스마트 헬스, 보안, 스마트 홈, 지능형 자동화, 인간 보행 분석 분야에 웨어러블 센서 기술을 적용하는 연구가 최근에 크게 증대되고 있다. 현재까지 보안 시스템과 인간의 보행 분석에 카메라와 레이저 기반 시스템 등의 기술이 널리 사용되고 있지만, 카메라 기반 시스템은 개인 정보 보호에 한계가 있고, 레이저 기반 시스템은 설치 및 유지 관리 비용이 매우 높은 단점이 있었다. 따라서 웨어러블 센서를 이용한 스마트 보행 감지 장치 개발 연구가 활발하게 이루어지고 있으며, 정전용량형, 저항형, 마찰전기 기반 웨어러블 압력센서들이 가장 많이 연구되고 있다. 정전용량형 센서는 기생 정전용량이 발생하고 저항형 센서는 온도 드리프트(Drift)가 발생하는 문제가 있다. 또한 이러한 센서는 각각의 정전 용량 또는 저항 값을 전압으로 변환하기 위한 추가 회로가 필요하다. 하지만 마찰전기 나노발전기 기반 압력센서는 별도의 전원 공급회로가 필요없이 보행에 따른 압력의 변화를 전압 출력으로 나타냄으로써 보행 감지 장치에 쉽게 적용할 수 있다.

본 연구에서는 멕신(MXene)/P(VDF-TrFE)를 전하 생성층으로, 실록신/코발트 나노다공성 탄소/P(VDF-TrFE)를 전하 트래핑층으로 구성하는 이중층 나노섬유 구조의 마찰전기 나노발전기를 설계 및 제작하였다. 전하 생성층인 MXene/P(VDF-TrFE)는 MXene의 높은 전기 음성도 및 강한 전자 친화력 때문에 풍부한 표면 전하를 나타낸다. 전하 트래핑층의 충전제인 실록신은 미세한 쌍극자 형성으로 인해 층의 유전율 특성을 향상시키는 반면, 코발트 나노다공성 탄소의 더 큰 다공성을 가진 넓은 표면적은 전하 저장을 위한 더 많은 활성 사이트를 제공한다. 전하 포획층이 없으면 전자는 전극의 양전하와 결합하여 상쇄된다. 전하 트래핑층은 전자가 전극으로 확산되는 것을 방지하고 전하 감소율을 줄여 표면 전하밀도와 TENG의 전체 출력 성능을 크게 증가시킨다. 따라서, 제작된 이중층 나노섬유기반 나노발전기의 전류밀도와 표면 전위는 단일층 나노섬유 보다 2배 더 높았다. 전기방사 기술로 제작된 나노섬유는 두께가 일정하고, 더 큰 압축성을 가진 계층적 다공성 구조를 가지기 때문에 우수한 특성의 나노발전기 기반 압력센서를 제작하는데 유용하다. 또한 우수한 안정성과 압축성을 가지는 마찰전기 나노발전기 기반 압력센서는 딥 러닝 기술을 접목하여 신발 깔창 기반 사용자 활동 인식 및 사용자 식별 시스템으로 성공적으로 시연되었다.

이번 연구는 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단 중견연구자 지원(NRF-2020R1A2C2012820) 및 산업통상자원부의 산업기술혁신사업?(RS-2022-00154983,?저전력 센서와 구동을 위한 자립형전원 센서 플랫폼 개발)의 지원으로 수행되었고, 연구 결과는 세계 최고의 에너지 소재 및 소자 전문 저널인 엘시비어 (Elsevier) 출판의 나노에너지 (Nano Energy, IF: 19.069)에 논문이 게재되었다. https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2023.108180

<무전원 압력센서와 딥러닝 기술을 접목한 스마트 깔창 구조 및 주요 성능>