사진:한국기술교육대 배진우 교수 연구팀이 개발한 ‘Silk/DAP-GO 전기방사 섬유 복합체 기반 TENG’ 개략도

한국기술교육대학교(KOREATECH·총장 유길상) 화학생명공학전공 배진우 교수 연구팀이 실크 소재와 기능성 나노소재를 결합해 스스로 전기를 생산하는 마찰전기 나노발전기(TENG)와 별도 전원 없이 작동하는 무전원 센서를 개발했다.

최근 IoT 센서의 확산으로 외부 전원 없이 스스로 작동할 수 있는 자가발전 기술에 대한 관심이 높아지고 있다. 특히 마찰전기 나노발전기(TENG)는 서로 다른 두 물질이 접촉했다가 분리될 때 발생하는 정전기를 전기에너지로 바꾸는 기술로, 별도의 전원 없이 구동할 수 있어 차세대 센서 전원 기술로 주목받고 있다.

배 교수 연구팀은 그래핀 산화물에 방향족 아민 기능기를 도입해 성능을 높인 기능성 나노소재(DAP-GO)를 개발하고, 이를 실크 나노섬유와 결합한 복합 소재를 제작해 TENG에 적용했다. 이 소재는 전하 생성 능력을 높이고 전하 소멸은 줄여 소자 성능을 크게 향상시켰다.

개발된 소자는 370V의 전압과 9.7μA(마이크로암페어)의 전류를 구현했으며, 이를 활용해 상용 리튬이온 코인셀 배터리를 실제로 충전하는 데도 성공했다. 이는 일상 속 기계적 에너지를 전기로 전환하고 저장할 수 있는 자가발전 시스템의 실용 가능성을 보여준 성과다.

연구팀은 이 기술을 활용해 몸에 직접 부착하지 않아도 되는 비접촉 방식의 모션 감지 센서도 구현했다. 사람의 움직임에 따라 센서 주변의 전기장이 변하는 원리를 이용해 걷기, 달리기, 낙상 등 다양한 동작을 구분할 수 있음을 확인했다. 이에 따라 공간 기반 감지 시스템, 스마트 보안 모니터링, 실내 활동 인식 등 비접촉 IoT 환경에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

배진우 교수는 “이번 연구는 주변 환경에서 발생하는 물리적 변화를 전기에너지로 바꾸고, 이를 센서 시스템과 에너지 저장에 활용할 수 있는 자가발전 기술을 제시한 것“이라며 ”특히 생성된 전력으로 상용 배터리 충전까지 가능하다는 점을 확인했다는 데 의미가 있다“고 말했다. 이어 “향후 스마트 공간 모니터링, 비접촉 보안 시스템, 실내 활동 인식 기술 등 다양한 IoT 기반 응용 분야에 활용될 수 있을 것으로 기대한다"고 말했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 창의도전연구기반지원사업, 이공분야기초연구사업(중견연구)과 교육부가 추진하는 4단계 BK21 사업의 지원을 받아 수행됐다. 연구 성과는 세계 최고 수준 국제학술지 Advanced Composites and Hybrid Materials (IF: 21.8, JCR 상위 1.5%)에 게재됐다.