감염병 예방 및 고성능 전자보안인증 시스템 위한 비접촉식 무전원 유연센서로 활용 기대
[대학저널 백두산 기자] 광운대학교(총장 유지상)는 박재영 전자공학과 교수 연구팀이 금속유기골격체 기반의 코발트 나노 다공성 탄소와 멕신 기반 유기복합물질 나노소재를 이용해 초고도의 유연성과 고성능을 갖는 마찰전기 나노발전기와 비접촉식 무전원 유연센서를 개발하는데 성공했다고 4일 밝혔다.
금속유기골격체는 골격체 내부에 다양한 화학물질을 탑재할 수 있는 구조를 갖춘 나노소재로, 향후 이를 활용해 새로운 개념의 기능성 전자소자 개발에 큰 영향을 줄 것으로 기대된다.
인체의 움직임, 바람, 진동 같은 기계적 에너지를 전기에너지로 변환하는 마찰전기 나노발전기는 웨어러블 의료/헬스케어 기기, 사물인터넷, 저전력 전자 디바이스 등 다양한 기기 및 산업 분야에 친환경 에너지 발전소자 및 무전원 센서로써 활용이 기대되는 유망기술이다.
하지만 접촉-분리 모드 혹은 슬라이딩 모드의 구동원리를 갖는 마찰전기 나노발전기는 동작시에 지속적인 마찰로 인해 신뢰성과 내구성, 그리고 성능이 저하되는 문제점이 있다.
박 교수 연구팀은 금속유기골격체 기반의 코발트 나노 다공성 탄소 소재와 에코플렉스(부드러운 실리콘)와 합성해 기능성 나노복합물질 소재를 새롭게 개발했다. 멕신과 에코플렉스로 구성된 유기 나노복합물질에 적층해 이중 층 구조로 설계 및 제작함으로써 고효율 및 고성능의 유연 나노발전기를 제작했다.
그 결과 나노 다공성 탄소 구조는 높은 표면적, 유전 상수, 그리고 전하 생성 능력을 얻는데 매우 효과적이었고, 멕신 기반 나노소재로 구성된 마이크로 커패시터는 더 많은 음전하를 축적할 수 있게 해 나노발전기의 성능을 약 3배 이상 향상시킴으로써 비접촉식 무전원 유연센서로 바로 활용할 수 있었다.
제작된 유연 나노발전기는 2.06 Vs-2/m 이라는 매우 우수한 가속도 민감도를 나타냈고, 최대 20cm 떨어진 지점에서도 물체를 감지하기에 충분한 전기신호 출력을 나타냈다. 또한, 연구팀은 제작된 나노발전기를 이용해 비접촉식 도어락 비밀번호 인증 시스템을 설계 및 제작해 성공적으로 시연했다.
제작된 비접촉 마찰전기 나노발전기는 전자피부, 휴먼-머신 인터페이스, 다양한 무전원 센서 등에 폭넓게 활용 및 응용될 수 있다. 또한 개발된 비접촉식 무전원 센서는 코로나19 바이러스와 같은 감염병의 확산 예방과 터치패드 기반 전자인증시스템의 보안을 향상시키는데 기여할 것으로 기대된다.
이번 연구는 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단 중견연구자 지원(NRF-2020R1A2C2012820) 및 한국산업기술평가관리원을 통해 산업통상자원부의 산업기술혁신사업(20000773, 비혈액기반 대사증후군 모니터링용 패치형 나노멀티센서 혁신기술 개발)의 지원을 받아 수행됐고, 연구 결과는 세계 최고의 기능성 소재 및 소자 전문 저널인 와일리(WILEY) 출판의 어드밴스드 펑셔널 머트리얼즈(Advanced Functional Materials, IF: 18.8)에 표지논문으로 게재됐다.
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