DGIST, 몸에 붙이고 원하는 대로 움직여도 안정적인 초소형 촉각 센서 기술 개발

DGIST(대구경북과학기술원) 에너지공학과 이주혁 교수 연구팀(이하 연구팀)이 움직임이 많은 일상 활동에서 활용할 수 있는 신축성 마찰대전 발전소자 마찰대전 발전소자(마찰을 통해 발생하는 운동에너지를 전기에너지로 변환시켜 주는 소자)를 개발했다. 

한양대학교(ERICA 캠퍼스) 생명나노공학과 이주헌 교수와 공동연구를 통해 신축성 마찰대전 센서의 출력 감소 원인을 파악하고, 그래핀 전극을 활용해 안정된 출력을 가진 터치 센서를 개발하여 마찰대전 발전소자의 응용 범위를 확대했다. 

12일 DGIST에 따르면 최근 반도체 및 소형 전자 부품의 지속적인 발전으로 웨어러블 디바이스와 바이오센서 등의 다양한 장치가 개발되면서 이에 대한 에너지원 또는 센서로 활용할 수 있는 마찰대전 발전소자가 주목을 받고 있다. 

마찰대전 발전소자를 웨어러블 디바이스에서 사용하기 위해서는인체에 접촉되는 소재가 인체에 무해해야 하며, 움직임으로 형태가 변형되어도 출력이 일정하게 생성돼야 한다. 

하지만 기존의 신축성 마찰대전 발전소자는 형태의 변화가 발전소자 출력에 영향을 주는데, 그 원인에 대해서는 명확하게 밝혀지지 않았다. 기존의 제품과 같이 신축 등 형태변형에 따라 출력이 변화하면 정밀한 감지에 제한이 발생하게 된다. 

이에 연구팀은 인체의 움직임에도 일정한 출력을 낼 수 있는 안정적인 센서를 개발하기 위해 그래핀 전극 그래핀 전극(탄소 원자가 육각형으로 결합한 구조의 신소재로 제작한 전극)과 PVC-gel 폴리염화비닐 겔(PVC-gel. 건축 파이프, 바닥재 등에 주로 사용되는 단단한 플라스틱인 PVC에 가소제를 첨가해 만든 물질)을 이용해 마찰대전 발전소자를 만들었다. 

특히, 그래핀 기반의 신축성 전극의 변형률과 전기적 저항의 상관관계를 분석, 인체의 움직임으로 발생할 수 있는 변형율보다 높은 최대 50%의 신축에서도 터치와 압력에 의해 일정한 전기가 출력되도록 구현했다. 또한 해당 연구에 사용된 소재들이 생체 안정성 평가도 통과하여 실생활에도 활용이 가능함을 확인했다. 

DGIST 에너지공학과 이주혁 교수는 "본 연구를 통해 기존 신축성 전극기반 마찰대전 발전소자의 단점을 보완했으며, 터치나 움직임에 따라 일정한 출력을 생성할 수 있는 기술을 개발하게 됐다. 향후 정밀 센서 분야에서 다양하게 활용 되기를 기대한다"고 밝혔다. 

한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단(NRF)과 DGIST 센소리움 지원사업을 통해 진행되었으며, 에너지 공학 분야의 저명 국제 학술지 중의 하나인 'Nano Energy'에 게재됐다.