연구팀은 직물을 활용한 마이크로패터닝 기술과 높은 음전하 대전물질 특성을 갖는 멕신/실리콘(MXene/Silicone) 복합나노소재를 활용해 고출력의 웨어러블 마찰전기 나노발전기를 제작했다. 이 나노발전기는 고성능의 자가전원 센서 및 웨어러블 스마트 디바이스의 반영구적 친환경 전원 플랫폼 기술 활용 가능성을 입증했다.

이를 통해 다양한 신체 부위에 반영구적으로 친환경 전원기술을 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

최근 생체역학기반 마찰전기 에너지 하베스팅 기술로 인간의 움직임에서 발생하는 물리적 에너지를 전기로 변환해 웨어러블 스마트 디바이스 등에 활용하는 친환경 전원 플랫폼 기술이 주목받고 있다. 하지만 마찰전기 나노발전기는 전자기기에 지속적으로 전원을 공급하거나 자가전원 센서 체계를 구축하는데 요구되는 전력을 공급하기에는 출력이 너무 낮아 안정적인 전원기술로 활용하는데 한계가 있었다.

박 교수팀은 멕신(MXene) 나노소재와 은이 코팅된 전도성 직물, 매우 높은 음전하 대전 특성을 갖는 멕신/실리콘(MXene/Silicone) 복합나노소재, 이 표면에 직물을 이용한 새로운 마이크로 구조 표면 처리 기술을 도입했다. 이중 면 접촉 기반의 고출력 마찰전기 나노발전기를 개발했다. 

특히 고기압, 진공상태, 표면활성계면제 등 다양한 공정조건이 필요한 기존의 마이크로구조 표면 처리 방법과 달리 직물에서 직접 마이크로 표면 구조를 제작할 수 있는 기술 개발에 성공했다. 제작된 직물기반 마찰전기 나노발전기는 다양한 크기의 형태로 재단해도 우수한 성능을 나타냈다. 여러 신체 부위에 적용할 수 있는 반영구적 친환경 전원기술로의 활용 가능성을 입증했다.

이 마찰전기 나노발전기는 실리콘으로만 구성된 마찰전기 나노발전기 보다 전압과 최대 전류 밀도에서 각 9.8배, 20배의 성능 향상을 보였다. 또한 0.18 MΩ 의 부하 저항 조건에서 55.47 W/m2 의 최대 전력 밀도를 나타냈다. 

연구팀은 제작된 마찰전기 나노발전기를 이용한 자가전원 스마트 보안 시스템과 웨어러블 스마트 전자기기(만보계, 스톱워치 및 디지털 습도계)의 동작 실험, 스마트폰 애플리케이션을 통한 실시간 보행 감지 시스템 시연 실험 등을 성공적으로 시연했다. 제작된 마찰전기 나노발전기가 웨어러블 전자기기의 반영구적 친환경 전원 플랫폼 및 자가전원 센서로의 실용 가능성을 증명했다.

한편 이번 연구는 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단 중견연구자 지원(NRF-2020R1A2C2012820) 및 해외우수과학자유치사업(2020H1D3A1A02081280)의 지원을 받아 수행됐다. 

연구 결과는 세계 최고의 소재 및 소자 전문 저널인 와일리(Wiley) 출판의 어드밴스드 펑셔널 머트리얼스(Advanced Functional Materials, IF: 18.8)에 게재됐다.