박재영 광운대 교수팀, 초고출력 스트레처블 나노발전기 개발

박재영 광운대 전자공학과 교수(왼쪽)와 소헬 박사./사진제공=광운대
박재영 광운대 전자공학과 교수(왼쪽)와 소헬 박사./사진제공=광운대
광운대학교는 최근 박재영 전자공학과 교수 연구팀이 사방정계 몰리브덴 산화물(α-MoO3) 나노와이어, 금속-유기 골격체(MOF-525)를 실리콘과 합성해 초고음성도의 마찰전기 나노복합소재를 개발했다고 31일 밝혔다.

현재 주요 에너지원으로 사용되는 화석연료나 핵연료는 자원고갈, 환경오염 등 다양한 문제를 유발한다. 따라서 자연이나 우리의 일상생활에서 버려지는 진동, 열, 태양 에너지를 전기에너지로 변환하는 친환경 에너지기술에 대한 관심이 높아지고 있다.

특히 인체의 움직임, 바람, 진동과 같은 기계적 에너지를 전기에너지로 변환할 수 있는 마찰전기 나노발전기는 웨어러블 의료/헬스케어 기기, 사물인터넷, 메타버스, 저전력 전자 디바이스 등 다양한 기기와 산업분야에 활용될 수 있다.

박 교수팀은 α-MoO3와 MOF-525를 실리콘에 합성해 하이브리드 나노복합소재를 만들고, 샌드위치 구조의 고출력 마찰전기 나노발전기를 개발했다. 이종 구조 네트워크를 갖는 이 나노복합소재는 높은 전하 포획 및 전하 유도 능력을 보였으며, 내부 표면의 상당 부분을 산소 원자와 통합해 더 큰 음전하를 생성했다.

연구팀은 접촉 면적을 늘리기 위해 3차원 인쇄 템플릿으로 나노복합소재 표면에 미세 구조를 추가했다. 그 결과 순수 실리콘 기반의 나노발전기보다 11배 높은 초고감도(105.18V/Kpa)와 신축성(250%), 출력밀도(18.38W/m2)를 나타냈다. 이를 기반으로 웨어러블 생체 동작 센서를 제작해 △비침습적 실시간 생체 동작 감지 △관절 활동 모니터링 △호흡·맥박 모니터링 등을 성공적으로 시연했다.

박 교수는 "고출력 나노발전기는 휴대 및 웨어러블 전자 장치의 친환경 반영구적 전원기술로 활용될 수 있다"며 "앞으로 전자피부와 휴먼-머신 인터페이스, 무전원 센서 등에 폭넓게 응용될 수 있도록 후속연구를 이어가겠다"고 말했다.

한편 이번 연구는 과학기술정보통신부의 '한국연구재단 중견연구자 지원'과 산업통상자원부의 '산업기술혁신사업'의 지원을 받아 수행됐다. 연구결과는 엘스비어(Elsevier)가 출간하는 '화학공학저널'(Chemical Engineering Journal, IF=17.06)에 게재됐다.
박재영 광운대 교수팀의 연구자료 이미지./사진제공=광운대
박재영 광운대 교수팀의 연구자료 이미지./사진제공=광운대