광운대학교 연구진이 배터리 없이도 인체활동 및 자세를 실시간으로 모니터링 할 수 있는 웨어러블 무전원 센서를 개발했다.

광운대는 박재영 전자공학과 교수 연구팀이 높은 전기 음성도를 갖는 바나듐멕신이 기능화된 불소고분자 복합 나노섬유 소재 매트를 개발했다고 19일 밝혔다. 해당 매트를 이용해 제작된 나노발전기는 통기성 뛰어나 마찰 전기 나노발전기의 고성능화를 실현해 무전원 웨어러블 센서 작동을 가능하게 하는 효과를 내고 있다.

최근 웨어러블 센서는 전자 피부, 로봇, 헬스케어 및 의료시스템, 인간-기계 인터페이스를 포함한 다양한 응용 분야에서 핵심기술로 각광을 받고 있다. 하지만 센서를 구동하기 위한 전원 공급문제는상용화를 위해 해결해야 할 중요한 과제이다. 이를 해결하기 위한 방안으로, 마찰전기 나노발전기를 이용해 전원공급이 없이도 다양한 인체활동 및 생체정보를 실시간 모니터링하는 친환경 무전원 웨어러블 센서연구가 활발하게 이뤄지고 있다.

박재영 교수 연구팀은 전기방사 기술을 사용해 높은 전기 음성도와 안정성, 그리고 유연성을 가진 V2CTX@폴리(비닐리덴-플루오라이드-코-헥사플루오로프로필렌) 복합 나노섬유 매트를 성공적으로 개발했다.

이를 이용해 마찰 전기 나노발전기의 성능을 크게 향상시켰다. 바나듐 멕신 표면의 풍부한 작용기(-F, -O 및-OH)를 활용해 전기 음성도를 높였고, 폴리머 매트릭스에 마이크로 커패시터 네트워크를 형성해 전자 포획용량과 함께 유전 특성을 향상 시켰으며, 전하 손실은 크게 감소시켰다.

나노섬유 매트를 이용해 제작된 나노발전기는 통기성이 뛰어나서 착용성과 안정성이 우수하며, 다양한 인체 활동으로부터 수확된 에너지는 스톱워치나 온습도계와 같은 상업용 전자기기 구동에 필요한 전기를 충분히 공급했다.

또한 높은 민감도를 가진 무전원 웨어러블 압력센서로 활용해 걷기, 달리기, 점프, 앉기 및 자전거 타기 등 다양한 인체활동 및 자세의 실시간 모니터링에 성공적으로 시연했다. 연구팀이 개발한 나노발전기 기반의 무전원 센서는 전자피부, 로봇, 휴먼-머신 인터페이스, 다양한 웨어러블 의료 및 헬스케어 기기 등에 폭넓게 활용 및 응용될 것으로 기대된다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 재원으로 한국연구재단 중견연구자 지원 및 산업통상자원부의 산업기술혁신사업 (저전력 센서와 구동을 위한 자립형전원 센서 플랫폼 개발)의 지원으로 수행됐다. 연구 결과는 국제 에너지 소재 및 소자 전문 저널 '엘시비어(Elsevier)' 출판의 나노에너지 (Nano Energy, IF: 17.6)에 논문이 게재됐다.