입력 2025.05.12 16:00
고분자 전해질 기반 액체 전극 적용…기존 소재의 작동 한계 뛰어넘어
차세대 인체 착용형 촉각 감지 센서의 성능 개선 및 적용 범위 확대 기대
최첨단 나노기술 분야에서 세계적인 권위를 인정받는 국제저명학술지 「Small」 게재
명지대학교(총장 임연수) 기계시스템공학부 박용태 교수 연구팀이 동국대학교 물리학과 정권범, 테크레브라한 교수 연구팀과 협력해 마찰대전 나노발전기(Triboelectric Nanogenerator, 이하 TENG) 기술을 활용, 열적으로 안정적인 액체 전해질 기반의 형상 적응형 에너지 수확 및 촉각 감지 센서 기술을 개발했다.
최근 소형의 웨어러블 기기를 인체에 착용해 개인의 건강 관련 정보를 측정하는 IoT 기기들이 관심을 받고 있다. 하지만, 이들 기기는 배터리가 무겁고 잦은 충전과 교체가 필요하다는 점에서 사용에 제약이 따른다. 이에 외부 전원 없이 독립적으로 작동할 수 있는 웨어러블 기기에 대한 관심이 높아지고 있다.
여러 후보군 가운데 TENG는 외부 전원 없이 작동할 수 있는 에너지 변환 장치로, 간단한 생산 방식, 가벼운 구조, 저렴한 가격 등의 장점 덕분에 기존 IoT 기기의 한계를 극복할 수 있는 유망한 대안으로 주목받고 있다.
연구진은 “부드럽고 유연하며, 변형 가능하고, 형태 적응성이 뛰어나며, 고온 조건에서도 안정적인 액체 기반 TENG를 개발하는 것을 목표로 연구를 진행했다”고 설명했다.
이들이 개발한 액체 기반 TENG는 유연한 마찰전기층 외피가 액체 전극을 감싸는 구조로, 신축성, 유연성, 투명성 등의 장점을 지닌다. 또한, 마찰 전기층 사이에 물리적 공기 간극이 없어 피부에 착용되는 전자 장치에 쉽게 통합할 수 있으며, 손가락, 팔꿈치, 손목, 무릎, 발 등 다양한 부위의 미세한 생리 활동으로부터 에너지를 수확할 수 있다.
또한, 연구진은 기존 액체 기반 TENG가 지닌 낮은 투명성, 고온에서의 증발, 복잡한 합성 절차 등의 문제점을 해결하기 위해, 비용 효율적이고 증기압이 낮으며 열적으로 안정적인 전해질인 폴리에틸렌이민(branched polyethyleneimine)과 재생 가능하며 생분해성인 choline chloride/glycerol 심층 공융 용매(deep eutectic solvent)를 액체 전극으로 사용했다. 이렇게 개발된 TENG는 섭씨 100도 환경에서 24시간 이상 노출된 후에도 안정적인 출력 성능을 유지하는 것으로 확인됐다.
뿐만 아니라, 연구진은 이 액체 기반 TENG를 활용해 접촉 지점을 감지하는 자가 구동식 4x4 어레이 촉각 센서를 개발했다. 이 센서는 단일 액체 기반 구조 내에 마찰대전 음극층과 마찰대전 양극층이 통합되어 있어, 기존에 감지할 수 없었던 소재나 재료에서 가해지는 압력까지 감지할 수 있다. 이번 연구 결과는 TENG 연구의 확장과 더불어 다양한 소프트 전자 센서의 발전에 기여할 것으로 기대된다.
한편, 이번 연구는 한국연구재단의 중견연구자 사업(No. 2022R1A2C2006081, RS-2024-00352476)의 지원을 받아 수행되었으며, 국제 나노기술 분야 권위 학술지 「Small」(IF=13.0, JCR 상위 7.54%)에 지난 4월 22일 온라인(https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202500318) 게재됐다. 또, 명지대학교 도서관의 지원을 받아 Wiley 하이브리드 저널에 오픈액세스 논문으로 출판되었다.