“컴퓨터 오래 쓰면 스스로 알려준다”

박재영 교수(전자공학과) 연구팀, 거북목 방지 스마트 마우스 시스템 개발

- 정류 회로 없이 직류 전기를 생성하고 즉시 저장하는 차세대 에너지하베스팅 플랫폼 기술 개발 -

- 배터리 없는 웨어러블·헬스케어 기기·가정 및 산업용 IoT·스마트 기기 등에 폭 넓게 활용 기대 -

- 국제 저명 학술지 와일리 출판의 어드밴스드 에너지 머티리얼즈 표지논문(IF: 26) 게재 -

본교 전자공학과 박재영 교수 연구팀이 마우스를 움직이는 것과 같은 손의 작은 움직임만으로도 전기를 생산하고, 그 전기를 바로 저장할 수 있는 차세대 에너지하베스팅 통합 플랫폼 기술을 새롭게 개발했다. 연구팀은 해당 기술을 컴퓨터 마우스와 마우스패드에 적용함으로써 사용자가 마우스를 움직이는 동안 발생하는 에너지를 이용해 사용자에게 휴식과 스트레칭을 권장하는 시스템을 구현했다.

박재영 교수(좌), 시탈 박사과정(우)

연구팀이 개발한 기술의 핵심은 마찰 에너지로 직류 전기를 바로 만들어내는 새로운 발전 소자와, 이를 별도의 회로 없이 곧바로 충전할 수 있는 저장 장치를 하나의 디바이스로 통합했다는 점이다. 덕분에 복잡한 전자회로나 추가 장치 없이도 작은 움직임만으로 전기를 생산하고 저장할 수 있다.

지금까지 널리 연구돼 온 ‘마찰 발전기’는 사람의 움직임이나 진동 같은 에너지를 전기로 바꿀 수 있었지만, 대부분 교류 전기를 만들어 실제 전자기기에 사용하려면 전기를 바꿔주는 추가 부품이나 회로가 필요했다. 이 과정에서 전기에너지가 손실되고, 시스템이 복잡해지는 문제가 있었다.

본 연구팀은 이러한 한계를 해결하기 위해 마찰 순간에 바로 직류 전기가 생성되는 새로운 방식을 개발했다. 이 기술은 마찰이 일어나는 금속과 반도체의 경계에서 전자가 직접 이동하도록 설계돼, 추가 장치 없이도 안정적인 직류 전력을 만들어낸다.

연구팀이 개발한 에너지하베스팅 소자는 알루미늄(Al) 금속 슬라이더와, PEDOT:PSS 고분자 반도체에 코발트 기반 금속유기구조체(Metal-Organic Framework, MOF)인 ZIF-67을 도입한 복합 반도체 층으로 구성된다. ZIF-67은 반도체의 일함수를 낮추고, 전하 여기 사이트를 증가시키며, 계면 전기장을 강화함으로써 순수 PEDOT:PSS 대비 발전 성능을 약 두 배 향상시켰다. 최적화된 DC-TVNG는 10 kΩ 부하 조건에서 9.2 mW m⁻²의 전력 밀도를 달성하여, 별도의 전력 변환 없이도 저전력 전자기기를 직접 구동할 수 있는 잠재력을 입증했다.

스마트 PC 화면 사용 시간 관리를 위한 자가충전 슈퍼커패시터가 통합된 금속유기구조체(Metal-Organic Framework, MOF) 도입 직류 트리보볼타익 나노발전기

또한 이렇게 만들어진 전기는 슈퍼커패시터에 바로 저장된다. 슈퍼커패시터는 IL/P(VDF-HFP) 전해질을 두 개의 알루미늄 전극 사이에 샌드위치 구조로 형성했으며, 각 전극은 반도체 표면과의 슬라이딩 동작을 통해 독립적으로 충전된다. 이를 통해 복잡한 전력 관리 회로 없이도 직접 충전이 가능하다. 통합된 슈퍼커패시터는 110 μF cm⁻²의 면적 정전용량을 보이며, 5.5초 이내에 1 V까지 충전이 가능하다.

연구팀은 기술의 실용성을 보여주기 위해 이 시스템을 컴퓨터 마우스와 마우스패드에 적용했다. 사용자가 마우스를 움직이는 동안 발생하는 에너지를 이용해, 사용 시간을 자동으로 기록하고 일정 시간이 지나면 휴식과 스트레칭을 권장하는 스마트 시스템을 구현한 것이다. 이는 거북목과 손목 통증, 눈의 피로와 같은 장시간 컴퓨터 사용으로 인한 현대인의 건강 문제를 기술적으로 해결할 수 있음을 보여주는 최초 사례다.

이번 연구는 에너지 생성, 저장, 활용을 하나의 단순화된 구조로 통합한 마찰전기 에너지하베스팅 플랫폼의 새로운 이정표를 제시한다. MOF가 도입된 DC-TVNG 플랫폼은 뛰어난 확장성, 기계적 유연성, 시스템 통합성을 갖추고 있어, 향후 자가구동 센서, 인간–기계 인터페이스, 웨어러블 및 데스크톱 기반 지능형 전자기기, 사무용 스마트 기기 등 다양한 응용 분야에서 핵심 기술로 활용될 것으로 기대된다.

어드밴스드 에너지 머티리얼즈 Front 커버

이번 연구는 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단 중견연구자 지원사업(RS-2024-00351167) 및 한국산업기술진흥원의 산업기술혁신사업(RS-2022-00154983, 저전력 센서와 구동을 위한 자립형전원 센서 플랫폼 개발)으로 수행되었다. 연구 결과는 세계 최고의 에너지 소재 및 소자 전문 저널인 와일리(WILEY) 출판의 어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials, IF: 26) 표지논문으로 게재되었다. 1저자인 쿠마르 박사는 2025년 3월부터 인천 송도에 위치한 벨기에 겐트대학교(Ghent University) 글로벌캠퍼스, 연구교수로 근무 중이다.

Web link: https://doi.org/10.1002/aenm.70449