트릴로찬 바하타(전자, 박사과정), '배터리 필요 없는 플렉시블 압력센서 개발'
NANO ENERGY 논문게재
- 복합나노섬유 기반 고출력 유연 나노발전기 및 무전원 압력센서 개발 -
- 고성능 유연전자소자 및 센서, 에너지저장소자, 공기정화필터 등 핵심 기술로 활용 기대 -
- 국제 저명 학술지 엘시비어 나노에너지 논문 (IF: 16.602) 게재 -
본교 박재영 교수 연구팀(전자공학과)은 고분자 용액에 전기적 힘을 인가하여 나노섬유를 제조하는 전기방사 기술을 이용하여 멕신(MXene-Ti3C2Tx) 그래핀과 불소고분자(PVDF)가 혼합된 복합나노섬유 매트를 제작하고 이를 이용하여 마찰전기 기반 고출력 플렉시블 나노발전기를 개발하는데 성공하였다. 기존의 마찰전기 소재와 달리 개발된 복합나노섬유는 넓은 표면적, 높은 유전율과 표면 전위, 습도에 강한 특성을 갖고 있어서 다양한 형태의 고출력 나노발전기 및 무전원 압력센서 제작에 폭 넓게 활용될 수 있다. 무전원 압력센서는 기존에 사용하던 압력센서와 달리 이차전지와 같은 전원과 아날로그 신호처리 회로가 필요 없이 압력을 전기신호로 바로 바꾸어 주는 반영구적 스마트 센서이다.
최근 시장에 출시되고 있는 다양한 웨어러블 전자기기 및 사물 인터넷(IoT) 센서 신제품들의 소모 전력이 낮아짐에 따라서 인체의 활동과 주변환경으로부터 버려지는 물리적/기계적 에너지를 전기 에너지로 변환하여 이차전지를 대신하여 친환경 전원으로 사용하기 위한 플렉시블 에너지 하베스팅 기술이 큰 관심을 받고 있다. 다양한 에너지 하베스팅 기술 중 스마트 웨어러블 기기 및 사물인터넷에 적용을 위하여 인체 활동과 주변환경(작은 크기의 낮은 주파수의 움직임)에서도 높은 전압을 얻을 수 있는 나노섬유 혹은 직물을 이용한 접촉-분리 모드 기반 마찰전기 나노발전기에 대한 연구가 그 중 큰 주목을 받고 있다.
특히, 전기방사기술로 제작된 나노섬유는 다양한 유연센서, 에너지저장소자, 에너지 하베스팅 소자, 수질관리 및 공기정화 필터, 제어 약물 전달 시스템 등에 폭넓게 활용될 수 있기 때문에 최근에 큰 주목을 받고 있는 신소재이다. 기존 불소고분자 기반 나노섬유 매트는 제작시에 불균일하게 분산되어 표면적이 낮고 쉽게 서로 뭉치는 문제가 있었다. 박재영 교수팀은 2차원 나노그래핀 물질인 멕신을 불소고분자(PVDF)와 혼합하여 넓은 표면적과 높은 유전율을 갖는 유연 복합나노섬유 매트를 처음으로 개발하였다. 본 연구에서 새롭게 제작된 복합나노섬유는 일반 불소고분자기반 나노섬유 보다 유전 특성이 270 %, 전하 밀도가 78 %, 전류 밀도가 71.5 % 향상된 특성을 나타냈다.
<멕신-PVDF 나노파이버 메트를 이용한 고출력 나노발전기 및 무전원 압력센서기술로 응용)>
본 연구팀은 전기방사 기술을 이용하여 유연 복합나노섬유 매트와 나일론(Nylon 6/6) 나노섬유 매트를 제작하고 이들을 마찰대전 물질로 사용하여 접촉-분리모드 마찰전기 기반 고출력의 유연 나노발전기 개발 및 120개의 상용 LED를 동시에 켜는데 성공하였다. 제작된 나노발전기는 11.213 W/m2의 높은 밀도의 전력 생산성과 60,000 회 이상의 반복테스트에서 균일한 성능을 보이는 고신뢰성과 내구성을 나타냈다. 또한 본 연구팀이 개발한 복합나노섬유와 그 제작 방법은 나노발전기 적용뿐만 아니라, 다양한 플렉시블 센서 및 에너지 저장소가 개발에도 쉽게 활용할 수 있다. 본 연구팀은 제작한 무전원 압력센서를 이용하여 계단을 걸을 때에 걸음을 인식하여 자동으로 전등을 켜고 빛의 세기를 조절하는 실험을 성공적으로 보여줬다.
이번 연구는 산업통상자원부의 산업기술혁신사업 (20000773)과 산업 전문가를 위한 역량 개발 프로그램 (No. P0002397), 한국연구재단 (NRF-2020R1A2C2012820) 지원으로 수행되었고, 연구성과는 세계 최고의 에너지 연구 전문저널인 엘시비어 (ELSEVIER) 출판의 나노에너지 (Nano Energy, IF: 16.602) 2021년도 1월호에 게재되었다.
https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.105670.
1. 멕신 (MXene): 탄소와 티타늄 등 중금속원자를 이용해 제조한 얇은 판 모양의 2차원 신소재로 그 특성이 우수하여 다양한 산업에 적용하려는 연구가 활발하게 이루어지고 있음
2. 불소고분자(PVDF, Polyvinylidene Fluoride): 탁월한 내후성과 내오염성, 강유전성, 낮은 굴절율 등을 지녀 태양전지, 이차전지, 수퍼커패시터, 필터 등 국가 기간산업에 광범위하게 활용되는 소재
3. 전기방사 (Electrospinning): 고분자 용융체 또는 고분자 용액에 전기적인 힘을 이용하여 나노크기의 직경을 가지는 섬유를 제조하는 공정
4. 마찰전기 나노발전기: 두 물체가 접촉 혹은 마찰시 발생하는 대전 현상을 이용하여 역학적 에너지를 전기에너지로 변환할 수 있는 작은 규모의 전력발생 장치
5. 마찰전기 발전방법: 나노발전기 발전방법은 크게 4가지로 분류할 수 있으며, 수직 접촉-분리 모드 (Vertical contact-separation mode)는 전극 2개와 상하 왕복운동을 통한 물질간의 거리 변화를 이용하여 발전을 하는 방식, 수평 미끄럼 모드 (Lateral sliding mode)는 수평 방향 왕복운동으로 인해 접촉 면적이 변화하는 것을 이용하여 발전을 하는 방식, 단일-전극 모드(Single-electrode mode)는 수직 접촉-분리 모드와 유사한 형태로 전극과 한쪽 전극을 접지시켜 발전하는 방식, 무지주 마찰전기 층 모드(Freestanding triboelectric-layer mode)는 하단의 전극을 고정시키고 상단의 마찰 대전 물질 층을 이동시켜 발전을 하는 방식
