- 코발트 나노 다공성 탄소 유기복합물질 기반 비접촉식 고출력 유연 나노발전기 개발 -

- 감염병 예방 및 고성능 전자보안인증 시스템을 위한 비접촉식 무전원 유연센서로 활용 ‘기대’ -

- 국제 저명 학술지 와일리 출판의 어드밴스드 펑셔널 머트리얼즈에 표지논문(IF:18.8) 게재 -

<박재영 교수(좌)와 소헬 박사과정(우)>

하지만, 접촉-분리 모드 혹은 슬라이딩 모드의 구동원리를 갖는 마찰전기 나노발전기는 동작시에 지속적인 마찰로 인해 신뢰성과 내구성, 그리고 성능이 저하되는 문제점이 있다. 본 연구팀은 금속유기골격체(Metal-organic framework) 기반의 코발트 나노 다공성 탄소 (Co-NPC) 소재와 에코플렉스(Ecoflex, 부드러운 실리콘)와 합성하여 기능성 나노복합물질 소재를 새롭게 개발하였다. 멕신(MXene)과 에코플렉스로 구성된 유기 나노복합물질에 적층하여 이중 층 구조로 설계 및 제작함으로써 고효율 및 고성능의 유연 나노발전기를 제작하였다. 나노 다공성 탄소 기반 나노복합물질을 전하 발생 층으로, 멕신 기반 나노소재를 전하 트래핑(Charge trapping) 층으로 활용함으로써 성능을 크게 향상 시켰다. 나노 다공성 탄소 구조는 높은 표면적, 유전 상수, 그리고 전하 생성 능력을 얻는데 매우 효과적이였고, 멕신(MXene) 기반 나노소재로 구성된 마이크로 커패시터는 더 많은 음전하를 축적할 수 있게 하여 나노발전기의 성능을 약 3배이상 향상 시킴으로써 비접촉식 무전원 유연센서로 바로 활용할 수 있었다.

제작된 유연 나노발전기는 2.06 Vs-2/m 이라는 매우 우수한 가속도 민감도를 나타냈고, 최대 20 cm 떨어진 지점에서도 물체를 감지하기에 충분한 전기신호 출력을 나타냈다. 또한, 연구팀은 제작된 나노발전기를 이용하여 비접촉식 도어락 비밀번호 인증 시스템을 설계 및 제작하여 성공적으로 시연하였다. 따라서 제작된 비접촉 마찰전기 나노발전기는 전자피부, 휴먼-머신 인터페이스, 다양한 무전원 센서 등에 폭넓게 활용 및 응용될 수 있다. 또한 개발된 비접촉식 무전원 센서는 코로나-19 바이러스와 같은 감염병의 확산 예방과 터치패드 기반 전자인증시스템의 보안을 향상시키는데 크게 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 수행되었고, 연구 결과는 세계 최고의 기능성 소재 및 소자 전문 저널인 와일리 (WILEY) 출판의 어드밴스드 펑셔널 머트리얼즈 (Advanced Functional Materials, IF: 18.8)에 표지논문으로 게재되었다. https://doi.org/10.1002/adfm.202105110

<코발트 나노 다공성 탄소 소재와 멕신 에코플렉스 나노복합물질 기반 비접촉식 마찰전기 유연 나노발전기와 무전원 센서 응용 개념도>

<Advanced Functional Materials 표지논문 선정>