박재영 교수(전자공학) 연구팀

탁월한 신축성과 통기성, 배터리가 필요 없는 웨어러블 센서 개발

- 통기성·신축성 우수 고출력 마찰전기 나노발전기 및 무전원 웨어러블센서 개발 -

- 웨어러블 디지털의료·헬스케어, 스포츠, 소프트로봇, 국방산업 등 활용 기대 -

- 국제 저명 학술지 Elsevier 출판의 케미컬 엔지니어링 저널(IF:15.1) 논문 게재 -

광운대학교 전자공학과 박재영 교수 연구팀은 다공성과 신축성을 가진 에코플렉스(Ecoflex) 및 스티렌-에틸렌-부틸렌-스티렌(SEBS) 기반의 통기성 고출력 마찰전기 나노발전기와 이를 이용한 무전원 인체활동 모니터링 센서를 개발하는데 성공했다. 개발한 센서는 인체에서 발생하는 열 방출 및 땀 증발이 효율적으로 이루어지게 함으로써 장시간 사용자의 편안함을 높이면서 우수한 성능과 신뢰성을 확보했다. 이 연구에서 개발한 나노발전기와 무전원 센서는 스마트의료 및 헬스케어, 스포츠, 소프트로봇, 국방산업 등 다양한 웨어러블 시스템에서 폭넓게 활용 가능하다.

사진 왼쪽부터 박재영 교수, 소헬 박사

웨어러블 전자기기는 의료, 인간-기계 상호작용, 스포츠 및 피트니스, 라이프스타일 관리 분야 등에 적용할 수 있기 때문에 최근 주목받고 있다. 특히, 인체의 활동에너지를 사용해 웨어러블 전자기기에 전력을 공급하는 동시에 인체 활동을 실시간 연속 모니터링하는 센서로 활용하는 기술은 미래의 친환경 스마트 웨어러블 기기를 개발하는데 있어 독창적인 접근 방식으로 평가된다. 따라서 유연하고 신축성이 있는 마찰전기 나노발전기와 무전원 웨어러블 센서를 개발하기 위한 연구가 최근 진행되고 있음에도 불구하고, 나노발전기와 센서의 통기성에 대해서는 거의 연구가 이루어지지 못한 상황이다. 근래에 통기성을 확보하기 위해 전기방사 방법 및 희생층 템플릿 방법을 적용하는 연구가 보고됐지만, 전기방사 기술은 공정 과정이 복잡하고 비용이 많이 소요되며, 템플릿 방법은 신뢰성 및 재현성에 여전히 문제가 있다.

박재영 교수 연구팀은 이같은 문제점 해결를 위해 클로로폼(chloroform)을 이용, 통기성과 신축성이우수한 다공성 에코플렉스와 SEBS 마찰전기 소재를 개발한 뒤 이를 이용해 고성능의 마찰전기 나노발전기와 고감도의 무전원 웨어러블 센서를 제작했다. 다공성 표면은 통기성을 촉진하고 접촉 면적을 늘려 더 나은 전하 생성을 촉진함으로써 나노발전기의 출력밀도와 센서 성능을 크게 높인다. 또, 신축성을 갖는 직물을 나노발전기와 센서의 전극으로 사용함으로써 신축성(550%)을 크게 향상시켰고, 동일한 기계적 응력 하에서 발표됐던 기존의 유사 연구들보다 우수한 마찰전기 출력을 보였다. 460개의 발광 다이오드 및 스톱워치에 전력을 공급하기에 충분한 18.8Wm-2의 전력 밀도에 해당하는 2,280V의 고전압 출력을 보였다. 13.1 V/KPa의 민감도를 갖는 무전원 센서는 딥러닝 기술과 접목, 99.3%의 식별 정확도와 98.2%의 동작 감지 정확도를 나타냈으며 파킨슨병 환자와 시각 장애인의 보행을 실시간 모니터링하는데 성공적으로 시연됐다. 통기성과 신축성이 뛰어난 나노발전기와 무전원 센서는 수화통역, VR/AR/MR, 스포츠, 소포트 로봇, 스마트 디지털 의료 및 헬스케어, 국방산업 등에 활용 및 응용될 것으로 기대된다.

이번 연구는 정부(과학기술정보통신부) 재원으로 한국연구재단 중견연구자 지원(NRF-2020R1A2C2012820), 산업통상자원부 산업기술혁신사업(RS-2022-00154983, 저전력 센서와 구동을 위한 자립형전원 센서 플랫폼 개발), 광운대학교 우수연구자 지원사업으로 수행됐다. 연구결과는 화학공학분야 최고 수준의 세계적 학술지인 엘시비어(Elsevier) 출판의 케미컬 엔지니어링 저널 (Chemical Engineering Journal, 인용지수: 15.1)'에 논문이 게재된 바 있다. 제1저자인 소헬 박사는 2023년 7월부터 방글라데시 공립대학, Noakhali Science and Technology University 교수로 재직하고 있다. https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.151050

통기성과 신축성이 우수한 고출력 마찰전기 나노발전기와 무전원센서 구조 및 이를 활용한 인체활동 실간 모니터링 응용 예시