전자공학과 김대원 교수 연구팀이 최근 정전 기반 나노발전기(Triboelectric Nanogenerator, TENG)를 활용한 연구 성과를 연달아 도출했다.

전자공학과 김대원 교수 연구팀, 정전 기반 나노발전 연구 성과 연달아 도출
일상 속 에너지를 효율적으로 활용하는 방법 고민

전자공학과 김대원 교수 연구팀이 최근 정전 기반 나노발전기(Triboelectric Nanogenerator, TENG)를 활용한 연구 성과를 연달아 도출했다. 연구 결과는 각각 국제 학술지 『Advanced Functional Materials(IF=18.5)』, 『Biosensors and Bioelectronics(IF=10.7)』에 게재됐다.

360° 전방위 기울기 감지 시스템 구현
첫 번째 연구로 360° 전방위 기울기 감지 시스템을 개발했다. 기존 기울기 센서는 특정 방향만 정확하게 측정할 수 있었다. 연구팀은 기존의 문제를 해결하기 위해 고출력 정전 기반 나노발전기를 활용해 360° 전방위에서 정확한 기울기 감지가 가능한 새로운 센서를 개발했다. 

전방위 감지의 핵심은 ‘전기 신호 피크 감지 매커니즘’에 있다. 나노발전기 내부에 작고 가벼운 공이 포함돼 있는데 이 공은 기울기에 따라 격자 구조 위를 구르게 된다. 이때 공의 이동 방향과, 전기 신호의 피크와 타이밍을 분석해 정확한 각도를 알아내는 방식이다.

또한 연구팀은 나노발전기의 전기적 출력을 높이기 위해 핵심 부품을 효율적으로 개선했다. 나노 입자와 복합 섬유를 섞은 새로운 복합소재를 제작했고, 그 결과 기존보다 2~3배 이상 높은 전기 출력을 보였다. 이를 통해 기울기 센서가 외부 전력원에 의존하지 않고 다양한 환경에서도 안정적으로 전류를 공급받을 수 있게 됐다. 연구를 진행한 조현우(전자정보융합공학과 석박사통합과정) 학생은 “향후 우주항공·드론 등 다양한 산업 분야에서 폭넓게 적용될 것”이라며 활용 방안을 설명했다.

목 움직임을 통한 에너지 수확·생체이식 가능성 제시
두 번째 연구에서는 사람이 목을 움직일 때 생기는 힘을 활용해 에너지를 수확하는 생체이식형 나노발전기를 개발했다. 조현우 학생은 “팔꿈치나 어깨와 같이 일반적으로 움직임이 많은 부위에 못지않게 목 역시 움직임이 빈번하다. 예를 들어 고개를 끄덕이거나, 침을 삼키는 행위에서도 충분한 에너지가 발생한다는 사실을 선행 연구를 통해 확인했고, 이를 에너지원으로 활용하기 위해 연구를 진행했다”며 연구 계기를 설명했다.

개발한 소자는 몸에 부착하거나 피부 안에 이식할 수 있도록 부드럽고 유연한 재료로 제작됐다. 또한 ‘다층 인터디지테이티드 전극(multilayer interdigitated electrode)’ 구조로 설계돼 약한 움직임으로도 충분한 전력을 생성할 수 있어 사용자의 체내 및 피부에 이식돼도 불편함이 없다.

적은 힘으로 높은 에너지 변환 효율을 얻기 위한 기술인 ‘임베디드 스위치 제어형 커패시터’ 기술도 활용됐다. 조현우 학생은 “복잡한 회로 없이 장치의 동작을 통해 제어되는 커패시터를 이용해 기존 장치 대비 1,454배 높은 단락회로전류 출력을 보였다”고 설명했다. 단순히 에너지를 수확하는 기술을 넘어 웨어러블, 생체 이식형 디바이스에 적용될 것으로 전망된다.

조현우 학생은 "연구실에서 일상 속 에너지를 효율적으로 활용하는 방법을 고민하고 있다"며 "향후 나노 컴포짓 최적화와 에너지 회로 시스템 연구를 통해 하나의 소자 셀에서 최대 출력을 끌어낼 수 있도록 연구를 이어갈 계획"이라고 밝혔다. 김대원 교수는 "조현우 학생은 박사과정 동안 연구 역량을 꾸준히 키워 좋은 성과를 냈다"며 "앞으로도 세계적 수준의 연구자로 성장하길 기대한다"고 격려했다.

조현우 학생은 하나의 소자 셀에서 최대 출력을 끌어내는 연구를 수행할 계획이다.

글 김율립 yulrip@khu.ac.kr
사진 정병성 pr@khu.ac.kr

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