하태준 교수(전자재료공학과) 연구팀, 고성능 웨어러블 마찰전기 나노발전기 기반 자가발전형 동적 서명 인증 기술 개발

- 국제 저명 학술지 Wiley 출판의 Energy & Environmental Materials 저널에(IF: 14.1, JIF ranking 93.0%) 논문 게재 -

(좌)제1저자 학부연구생 최윤서 (우)하태준 지도교수

본교 하태준 교수(전자재료공학과) 학부연구생 연구팀은 폴리에틸렌이민(polyethyleneimine, PEI)이 도핑된 셀룰로오스 아세테이트(cellulose acetate, CA)와 polyvinylidene fluoride(PVDF)를 기반으로 한 고성능 웨어러블 마찰전기 나노발전기(triboelectric nanogenerator, TENG)를 개발하고 이를 외부 전원 없이 구동되는 자가발전형 동적 서명 인증 시스템에 적용하는 데 성공하였다. 연구팀은 미세한 필압, 서명 속도, 움직임 궤적을 동시에 검출할 수 있는 웨어러블 센서 플랫폼을 구현함으로써 차세대 보안 인터페이스의 가능성을 제시하였다.

이번 연구 결과는 “High-Performance Wearable Triboelectric Nanogenerators Based on Polyethyleneimine-doped Cellulose Acetate for Self-Powered Dynamic Signature Sensing and Verification” 제목으로 Wiley에서 발행하는 Energy & Environmental Materials(EEM, IF 14.1, JIF ranking 93.0%)에 게재되었다.

실시간 서명 인증 기술은 개인 고유의 필기 습관과 동작 특성을 반영할 수 있어 차세대 정보보안 기술로 주목받고 있다. 그러나, 기존의 인증 시스템은 외부 전원 공급이 필요할 뿐만 아니라 필압·속도·궤적 등 다양한 입력 정보를 안정적으로 분리해 검출하기 위해 복잡한 센서 구성이 요구된다는 한계가 있었다. 특히, 웨어러블 전자소자로 구현하기 위해서는 높은 출력 성능과 유연성, 환경 안정성, 장기 신뢰성을 동시에 확보할 수 있는 소재 및 소자 설계가 핵심임에도 불구하고 미흡한 실정이었다.

이에 하태준 교수 학부연구생 연구팀은 PEI 도핑 농도를 0.7 wt%로 최적화한 CA 기반 필름과PVDF 필름을 이용해 고성능 웨어러블TENG를 제작하였다. 개발된 소자는 334 V의 개방전압과14.3 μA의 단락전류를 생성했으며, 40°C, 상대습도 90%의 고온·고습 환경에서도 안정적으로 동작하였고, 60일 이상의 장기 신뢰성을 보였다. 이는 PEI의 아민기와 CA의 작용기 간 상호작용으로 계면 분극과 표면 전하 밀도가 증가한 데 따른 결과다. 또한, 3×3 어레이 구조의 TENG는 서명 과정에서 발생하는 필압, 속도, 궤적 정보를 다차원 전기 신호로 수집할 수 있었고, 인공지능 기반 머신러닝 분석과 결합해 accuracy 0.95, sensitivity 0.94, specificity 0.96, F1-score 0.94의 높은 인증 성능을 나타냈다.

PEI doped CA/PVDF 기반 Triboelectric nanogenerator 필름의 전압, 전류 생산 결과 및 이를 활용한 인공지능 기반 머신러닝 보안 인터페이스

이번 연구는 하태준 교수 연구실 단독연구로 산업통상자원부 기술혁신사업과 한국연구재단 핵심연구(유형B) 지원으로 수행되었으며, 고성능 웨어러블 마찰전기 나노발전기를 이용한 자가 구동형 동적 서명 감지 및 인증 시스템 연구에 관한 특허 출원을 완료하였다.

한편, 해당 논문은 학부연구생 최윤서, 강한비가 공동 제1저자로 참여하였으며, 하태준 교수가 교신저자로 연구를 지도하였다. 최윤서 학부연구생은 현재 하태준 교수 연구실에 석박통합과정으로 진학하여 차세대 웨어러블 전자소자 및 센서 연구를 이어가고 있다.

Web link: http://doi.org/10.1002/eem2.70399