박재영교수팀, 나노복합소재 기반 고출력 나노발전기 개발
- 나노다공성 복합소재기반 이중 층 구조의 고출력 웨어러블 마찰전기 나노발전기 개발 -
- 웨어러블 의료/헬스케어, 전자보안, 감염병 예방, 무선 전자제어 시스템 적용을 위한
고성능 무전원 촉각 및 압력센서 개발 -
- 국제 저명 학술지 엘시비어 출판의 나노에너지 (IF:19.06)에 2편의 논문 동시 게재 -
본교 박재영교수 연구팀(전자공학과)은 레이저탄화 멕신(MXene)·ZiF-67, 나노다공성산화코발트(NPCO)·실리콘(Silicone), 멕신(MXene)·실리콘(Silicone) 나노복합소재를 개발하였고, 이들 소재를 이용하여 초고출력의 웨어러블 접촉/비접촉 마찰전기 나노발전기와 무전원 촉각/압력센서를 개발하는데 성공하였다.
<박재영 교수(좌), 소헬박사과정(중), 살라우딘 박사(우)>
현재 주요 에너지원으로 사용되고 있는 화석연료나 핵연료는 자원고갈, 환경오염 등 다양한 문제점을 갖고 있기 때문에, 자연이나 우리의 일상생활에서 버려지는 진동, 열, 태양 에너지를 전기에너지로 변환하는 기술에 관심이 높아지고 있다. 그 중에서도 인체의 움직임, 바람, 진동 같은 기계적 에너지를 전기에너지로 변환하는 마찰전기 나노발전기는 웨어러블 의료/헬스케어 기기, 사물인터넷, 메타버스, 저전력 전자 디바이스 등 다양한 기기 및 산업분야에 친환경 에너지 발전소자 및 무전원 센서로써 활용이 기대되는 유망기술이다.
본 연구팀은 나노다공성 산화코발트(NPCO)와 실리콘 소재를 합성하여 전기음성도와 전자 친화도가 매우 높은 나노복합소재를 새롭게 개발하였다. 신축성 있는 전도성 원단(Conductive stretchable Fabric)에 멕신·실리콘 나노복합소재와 적층하여 이중 층 구조로 마찰전기 나노발전기를 설계 및 제작함으로써 고출력의 전기를 생산하는데 성공하였다. 단일 층 구조를 갖는 기존 나노발전기 보다 15배 가량 높은 전력밀도를 나타냈다. 멕신·실리콘 나노복합소재는 전하 트래핑(Charge Trapping)과 전하수송(Charge Transport) 층으로 활용되었다. 전하 트래핑 층은 전자가 전극으로 확산되는 것을 방지하고 전하 트랩에 잔류 전하를 트래핑하여 전하 유지를 증가시킴으로써 나노발전기의 출력을 크게 향상시킨다. 또한 멕신·실리콘 나노복합소재 위에 멕신/ZiF-67 복합소재를 증착시킨 후 CO2 레이저로 탄화시켜 나노다공성 구조가 형성되게 함으로써 높은 전하밀도와 표면전위를 갖는 고성능의 웨어러블 나노발전기를 성공적으로 개발하였다. 제작된 나노발전기의 출력밀도는 접촉모드에서 65?W/m2?와 비접촉모드에서 10.4 W/m2을 나타내었고 230% 이상의 우수한 신축성을 가졌다.
본 연구팀은 제작된 웨어러블 나노발전기를 이용하여 비접촉식 무전원 촉각 및 압력센서와 각종 전자기기의 무선 동작제어 시스템을 설계 및 제작하여 성공적으로 시연하였다. 개발된 나노발전기는 전자피부, 휴먼-머신 인터페이스, 다양한 무전원 센서 등에 폭넓게 활용 및 응용될 것으로 기대되며, 비접촉식 무전원 센서는 코로나-19 바이러스와 같은 감염병의 확산 예방과 터치패드 기반 전자인증시스템의 보안을 향상시키는데 크게 기여할 것으로 예상된다.
이번 연구는 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단 중견연구자 지원(NRF-2020R1A2C2012820)과 해외우수과학자초청사업 (Brain Pool Program)의 지원을 받아 수행되었고, 연구 결과는 세계 최고의 에너지 소재 및 소자 전문 저널인 엘시비어 (Elsevier) 출판의 나노에너지 (Nano Energy, IF: 19.06)에 2편의 논문이 동시에 게재되었다.
https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.107462; https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.107454
<레이저 탄화 멕신(MXene)·ZiF-67/ 멕신(MXene)·실리콘(Silicone) 나노복합소재 기반 마찰전기 나노발전기와, 나노다공성산화코발트(NPCO)·실리콘(Silicone)/ 멕신(MXene)·실리콘(Silicone) 나노복합소재 기반 웨어러블 마찰전기 나노발전기, 무전원 촉각/압력센서로 응용 예시>
