DGIST 대구경북과학기술원

- 그래핀 전극을 이용하여 신축에 따라 출력변화가 없는 신축성 마찰대전 촉각센서 개발

- 인체 활동으로 변형된 센서들의 출력 변화 문제점을 보완하여, 정밀 센서 제작 가능한 기술로 ‘Nano Energy’에 논문 게재

 

 

 DGIST(총장 국양) 에너지공학과 이주혁 교수 연구팀이 움직임이 많은 일상 활동에서 활용할 수 있는 신축성 마찰대전 발전소자를 개발했다. 한양대학교(ERICA 캠퍼스) 생명나노공학과 이주헌 교수와 공동연구를 통해 신축성 마찰대전 센서의 출력 감소 원인을 파악하고, 그래핀 전극을 활용하여 안정된 출력을 가진 터치 센서를 개발하여 마찰대전 발전소자의 응용 범위를 확대했다.

 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 무해하여야 하며, 움직임으로 형태가 변형되어도 출력이 일정하게 생성되어야 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 전극과 PVC-gel을 이용하여 마찰대전 발전소자를 만들었다. 특히, 그래핀 기반의 신축성 전극의 변형률과 전기적 저항의 상관관계를 분석하여, 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 확인하였다.

 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.

 

 

· · ·

연구결과개요

Stretching-insensitive stretchable and biocompatible triboelectric nanogenerators using plasticized PVC gel and graphene electrode for body-integrated touch sensor

(김민규, 박효식, 이문환, 배진우, 이근영*, 이주헌*, 이주혁*)

(Nano energy, on-line published on 29/12/2022)

 

(논문 요약 내용, 1페이지내)

마찰대전 발전소자는 저주파와 약한 힘으로도 강력한 전기 신호를 생성할 수 있으므로 생체역학적 에너지를 이용하여 웨어러블 디바이스, 인체 부착 장치로 사용하고자 하는 연구가 진행되었다. 따라서 인체 적용을 위하여 마찰대전 발전소자는 신축성과 생체적합성이 있어야 한다. 또한 이를 센서로 사용하기 위해서는 변형에도 일정한 출력을 유지할 수 있어야한다. 이러한 일정한 출력은 센서의 정밀도를 위해서는 필수적이다.

이번 연구에서는 신축성 및 생체적합성을 가지고 있는 PVC gel과 그래핀 전극을 이용한 마찰대전 발전소자를 이용하였다. PVC gel은 가소제가 첨가되어 최대 250% 이상까지 늘어날 수 있으며 전기적 특성이 일반적인 PVC 보다 우수하다. 이러한 PVC gel에 그래핀 전극을 전사시켜 신축성 유연 전극으로 사용하였다. 그래핀 전극은 ITO나 금속 전극과 비슷한 출력을 나타낼 수 있으며 생체적합성이 높고 늘어날 수 있다는 장점이 있다. 또한 두께 제어를 통해 저항을 조절할 수 있다는 장점이 있다.

본 연구를 통해 마찰대전 발전소자의 출력 성능에 영향을 미치지 않는 전극의 전기저항 범위를 파악하였으며, 50%까지 변형되어도 안정적으로 출력을 생성 할 수 있는 마찰대전 발전소자를 성공적으로 제작하였다. 변형에도 일정한 출력을 생성할 수 있으며 생체 적합성이 있는 마찰대전 발전소자는 인체 적용이 가능한 정밀한 터치 센서로 사용될 수 있다.

 

 

· · ·

연구결과문답

Q. 이번 성과 무엇이 다른가?

기존 신축성 마찰대전 발전소자는 변형이 되면 출력이 변화하여 일정한 출력을 생성하지 못한다. 이러한 출력 변화는 센서의 정확도를 떨어트린다. 본 연구에서는 전극의 전기적 저항에 따른 출력 변화를 파악하였고 이를 통해 50%까지 변형하여도 출력이 유지되는 전극을 제작하였다. 이는 인체의 움직임에도 터치를 정밀하게 감지할 수 있다는 큰 장점을 가진다.

Q. 어디에 쓸 수 있나?

인체 적용 가능하고 안정적으로 구동이 가능한 신축성 터치 센서로 사용이 가능함.

Q. 실용화까지 필요한 시간과 과제는?

해당 연구의 실용화를 위해선 그래핀 전극을 보호할 수 있는 새로운 층의 도움이 필요하다. PVC gel이 그래핀을 고정하여 주지만 그래핀에 직접적으로 물리적 힘을 주게 되면 그래핀 전극이 손상되어 출력이 변화할 수 있기 때문이다.

Q. 연구를 시작한 계기는?

본 연구팀은 마찰대전 발전소자를 최적화하는 연구를 주로 진행하는데 신축성 마찰대전 발전소자의 변형에 따라 출력이 변화하는 것을 파악하고 이를 해결하기 위해 연구를 시작하게 되었다.

Q. 어떤 의미가 있는가?

이번 연구는 인체의 움직임에 따라 소자와 전극이 늘어나면서 출력이 감소하는 기존의 마찰대전 발전소자들의 출력 감소 원인을 파악하였다. 또한 이러한 원인을 통해 인체에서 발생할 수 있는 최대 변형률인 50%까지 변형시켜도 터치에 일정한 출력을 생성할 수 있는 신축성 소자와 전극을 제작하였다.

Q. 꼭 이루고 싶은 목표는?

친환경 에너지 발전소자를 이용한 인체 센서를 통해 인간의 삶을 편리하게 할 수 있는 기술들을 개발하고 싶습니다. 연구실에서의 연구로 그치지 않고 실제로 기술의 상용화를 도전하여 사람에게 도움이 될 수 있는 이로운 기술을 개발하고 싶습니다.
 

 

· · ·

그림설명

[그림 1] 연구팀이 개발한 마찰대전 발전소자 제작 방법과 특성

(a) PVC gel/그래핀 이중층 마찰대전 발전소자의 제작 과정. (b) 그래핀과 PVC를 결합시켜주는 분자 간 힘.(이중층이 만들어지는 이유) (c) 50%까지 변형되었을 때의 PVC gel/그래핀 이중층의 사진. (d) 그래핀 전극의 두께에 따른 PVC gel/그래핀 마찰대전 발전소자의 전기적 저항.

 

[그림 2] 연구팀이 개발한 마찰대전 발전소자 터치 센서를 50%까지 변형된 상태의 출력 변화 실험

(a) 정상 상태(0%)와 변형 상태(50% 변형)에서 손가락으로 손등을 터치하였을 때의 PVC gel/그래핀 마찰대전 발전소자의 전압. (b) 정상 상태와 변형 상태에서 손가락으로 손등을 터치하였을 때의 변형 시 1MΩ이 넘는 마찰대전 발전소자의 전압. (c) PVC gel/그래핀 마찰대전 발전소자 9개를 손에 붙여서 터치센서로 이용하는 사진. (d) 및 (e) 정상 상태와 변형 상태에서 (i) 특정한 모형으로 터치하였을 때의 전압. (ii) 정상 상태의 PVC gel/그래핀 마찰대전 발전소자의 출력 분포. (iii) 변형 상태의 PVC gel/그래핀 마찰대전 발전소자의 출력분 포. (iv) 정상 상태의 변형 시 1MΩ이 넘는 마찰대전 발전소자의 출력 분포. (v) 변형 상태의 변형 시 1MΩ이 넘는 마찰대전 발전소자의 출력 분포.