김남영교수(전자공학과) 연구팀, 접촉 및 비접촉 감지를 위한 마찰 전기 나노 발전기와 습도 센서를 결합한 하이브리드 전자 피부 개발 성공

- JCR 1% Q1, IF: 19.069 과학전문지 Nano Energy 게재 -

- 마찰 전기를 이용한 나노 발전기 (Triboelectric Nanogenerator, TENG)와 습도 센서를 결합한 하이브리드 전자스킨을 개발에 성공 -

<(좌)은비비 박사과정 연구원 (우)김남영 교수>

본교 전자공학과 김남영교수가 이끄는 연구팀은 전자공학과 은비비 박사과정(제1저자)과 함께 나노 발전기와 습도 센서를 결합한 하이브리드 전자 피부를 개발하는데 성공하였다.

전자 피부(e-skin)는 생체 피부에 직접 장착하여 장기간 접촉 정보를 인지할 수 있기 때문에 인간, 로봇 또는 보철 장치가 손재주 있는 도구 사용을 실현하는 데 매우 중요하다. 촉각 정보의 공간적 분포, 인간과 기계, 기계간의 통신에 사용할 수 있지만, 접촉지각은 전자스킨과 외부 물체의 물리적 접촉에 의존하는 경향이 있으며, 이러한 반복적인 물리적 접촉은 물질적 피로를 초래하고 전자스킨의 수명을 단축시킨다. 또한 일상 생활에서 접촉 감염의 위험이 있는 많은 질병을 고려할 때, 비접촉 감지 기능을 가진 e-skin은 직접 접촉 감지에서 박테리아 전파 및 불가피한 기계적 마모를 방지하는 측면에서 우수성을 나타내어야 한다. 접촉 및 비접촉 감지에 의한 고무적인 성과에도 불구하고 촉각 감지와 비접촉 감지를 보완하는 전자 피부(e-skin) 개발은 여전히 어려운 과제이다. 이러한 상황에서, 광운대학교 김남영 교수 연구팀은 최근 마찰전기를 이용한 나노 발전기(TENG)와 습도센서로 구성된 하이브리드 전자스킨을 성공적으로 개발하였다. 낮은 온도의 열수 방법으로 Al코일을 에칭하여 다공성 및 나노플레이크와 같은 구조를 가진 공유된 유연한 기판 층을 제안하여 높은 비표면적을 생성하였다. Ag NWs 대전층과 SnO2 습도 감지층은 공유 기판의 양면에 각각 도입하여, Ag NWs 대전층이 제안된 CNES에 우수한 접촉 감지 및 전기 출력 기능을 갖는 것을 입증하였다. 또한 자가 전원 스위치 매트릭스 역할을 하는 1×3 매트릭스 CNES와 자가 전원 키보드를 시뮬레이션하는 3×4 어레이는 습도 관리 시스템에서 단말 장비 및 적용 절차를 성공적으로 제어하도록 설계하였다. SnO2 습도 감지 층의 또 다른 중요한 부분의 도움으로 제안된 CNES는 인간 호흡 신호의 비접촉 및 실시간 모니터링을 발생시키는 매혹적인 비접촉 감지 성능을 나타낸다.

[사진설명: (a) 접촉 및 비접촉 감지를 달성하는 인간 두뇌 메커니즘 (b) 접촉 및 비접촉 감지 기능을 목표로 하는 

CNES의 개략도 및 SEM 이미지]

이번 연구는 교육부에서 지원하는 한국연구재단(NRF) 중점연구소 지원사업과 한국 환경부(MOE) 대학원을 통한 기초 과학 연구 프로그램의 지원을 받았다. 연구 결과는 Elsevier에서 발간하는 국제 저명 논문지인 Nano Energy (IF=19.069) “Hybrid electronic skin combining triboelectric nanogenerator and humidity sensor for contact and non-contact sensing” 제목으로 실렸다.

(https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285522006188)