- 고분자 전해질 기반 저증기압 액체 전극 적용… 기존 소재의 작동 한계 뛰어넘어
- 차세대 인체 착용형 촉각 감지 센서의 성능 개선 및 적용 범위 확대 기대
- 최첨단 나노기술 분야에서 세계적인 권위를 인정받는 국제저명학술지 「Small」 게재

동국대학교(총장 윤재웅)는 물리학과 정권범, 테크레브라한 교수 연구팀이 명지대학교 기계시스템공학부 박용태 교수와 함께 형상 적응형 에너지 수확 및 촉각 감지 센서 기술을 개발했다고 밝혔다. 이번 연구는 고온에도 안정적인 액체 전해질 기반 마찰대전 나노발전기(Triboelectric Nanogenerator, 이하 TENG) 기술로 주목받고 있다.

최근 인체에 통합된 소형 웨어러블 기기가 개인의 건강 관련 중요 정보를 측정하는 등 다양한 IoT 기기들이 관심을 받고 있다. 하지만, 배터리의 무게와 잦은 재충전, 배터리 교체 필요성 등 IoT 기기 활용에 제약이 있어, 외부 전원 없이 독립적으로 작동할 수 있는 웨어러블 기기에 대한 관심이 높아지고 있다.

연구팀은 “TENG는 간단한 생산 방식, 가벼운 구조, 저렴한 가격으로 주목받는 유망한 에너지 변환 장치”라고 강조하며, “부드럽고 유연하며, 변형 가능하고, 형태 적응성이 뛰어나며, 고온 조건에서도 안정적인 액체 기반 TENG 개발을 목표로 했다”고 밝혔다. 액체 기반 TENG는 액체 전극을 유연한 마찰 전기층 외피가 감싸는 구조로, 신축성과 유연성, 부드러움, 투명성 등 장점을 가지고 있다. 또한, 마찰 전기층 사이에 물리적 공기 간극이 없어 피부에 장착하는 전자 장치에 원활하게 통합할 수 있다. 이는 손가락이나 팔꿈치, 손목, 무릎, 발 등 작은 생리 활동에서도 에너지를 수확할 수 있음을 의미한다.

기존 액체 기반 TENG는 액체 금속 사용 시 부족한 투명성, 복잡한 합성 과정, 수용액 사용 시 고온에서의 증발 및 기능성 저하와 같은 단점이 있었다. 연구팀은 “문제를 해결하기 위해 낮은 증기압과 열 안정성이 특징인 저비용 전해질 폴리에틸렌이민(branched polyethyleneimine)과 재생이 가능한 생분해성 용매인 choline chloride/glycerol 심층 공융 용매(deep eutectic solvent)를 액체 전극으로 사용했다”고 밝혔다. 연구에 따르면, TENG는 100°C에서 24시간 동안 노출된 후에도 안정적인 출력 성능을 보였으며, 결과에 대해 연구팀은 “액체 전극의 낮은 증기압과 열 안정성을 바탕으로 한 성과”라고 덧붙였다.

연구팀은 액체 기반 TENG를 활용해 접촉 지점을 감지하는 자가 구동식 4x4 어레이 촉각 센서를 개발했다. 이 센서는 단일 액체 기반 TENG 구조 내부에 마찰대전 음극층과 마찰대전 양극층이 통합되어 있으며, 기존에 감지할 수 없었던 소재 및 재료에서 가해지는 압력까지 감지할 수 있다. 이번 연구 결과는 TENG 연구의 확장 및 다양한 소프트 전자 센서의 발전에 기여할 것으로 기대를 모은다.

한편, 이번 연구는 한국연구재단의 중견연구자 사업(No. 2022R1A2C2006081, RS-2024-00352476)의 지원을 받아 수행했으며, 최첨단 나노기술 분야 최고 수준 학술지 「Small(IF=13.0, JCR 상위 7.54%)」에 4월 22일 온라인(https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202500318) 게재됐다.