광운대학교 박재영교수 연구팀(전자공학과)은 다공성 나노 소재 및 기판을 이용하여 통기성과 성능이 뛰어나며 유연한 마찰전기 나노발전기와 무전원 웨어러블 촉각센서를 개발하는데 성공하였다. 개발한 센서는 피부-센서 인터페이스에서 열 방출 및 땀 증발이 효율적으로 이루어지게 함으로써 장 시간 사용자의 편안함을 향상시키고 염증 위험을 최소화하였다. 본 연구에서 개발한 통기성을 갖는 촉각센서는 전자피부, 휴먼-머신 인터페이스, 소프트 로봇 등 다양한 웨어러블 시스템에서 폭 넓게 활용 가능하다.

웨어러블 전자 시스템은 의료, 인간-기계 상호 작용, 스포츠 및 피트니스, 라이프스타일 관리 분야 등에 폭넓게 적용할 수 있기 때문에 최근에 많은 주목을 받고 있다. 따라서 유연하고 신축성이 있는 웨어러블 센서를 개발하기 위한 많은 연구가 진행되고 있음에도 불구하고, 센서의 통기성에 대해서는 거의 연구가 이루어지지 못했다. 최근에 통기성 센서 개발을 위해 전기 방사 방법 및 희생층 템플릿 방법을 적용하는 연구가 보고되었지만, 전기방사 기술은 공정 과정이 복잡하고 비용이 많이 소요되는 기술이며, 템플릿 방법은 신뢰성 및 재현성에 여전히 문제가 있다. 

본 연구팀은 이러한 문제점을 해결하기 위해 간단하면서도 비용 효율적인 상분리 기술을 적용하여 통기성과 유연성을 갖는 실록신/다공성 SEBS 소재기반 고감도의 웨어러블 센서를 개발하였다. 이 기술은 용매의 증발로 상 분리를 발생시키고, 비용매의 증발로 유연탄성 소재에 다공성을 형성하는 것이다. 다공성 표면은 통기성을 촉진하고 접촉 면적을 늘려 더 나은 전하 생성을 촉진함으로써 센서의 성능을 향상시킨다. 또한, 다공성 SEBS에 실록신을 첨가하여 SEBS의 유전 특성을 증가시킴으로써 나노발전기와 센서의 성능을 향상시켰다. 다공성이며 유연하고 비용 효율적인 레이저 유도 그래핀 (LIG)을 전하 포집 전극으로 사용하였다. LIG를 다공성 기판에 직접 전사하여 부착함으로써 계면 저항을 감소시키고 유전체층과 전극 사이의 결합을 향상시켰다. 또한, 레이저 유도 그래핀(LIG)에 존재하는 그래핀 플레이크는 물리적 연결이 잘 되지 않아서 전도성이 불균일하고 취약하다는 문제점이 기존에 있었다. 본 연구팀은 하이브리드 나노다공성 탄소(H-NPC)를 LIG 소재에 적용함으로써 LIG 플레이크간 연결을 강화시키고 전극의 표면적과 전도성을 크게 증가시켰다. 제작된 센서는 성능평가, 통기성과 열방출 테스트후에 손가락에 장착하여 인간 제스처 인식을 성공적으로 시연하였다. 통기성을 갖는 유연 나노발전기와 무전원 센서는 전자피부, 휴먼-머신 인터페이스, 수화통역, VR/AR/MR, 스포츠, 소포트 로봇, 스마트 드론 등에 폭넓게 활용 및 응용될 것으로 기대된다. 

이번 연구는 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단 중견연구자 지원(NRF-2020R1A2C2012820) 및 산업통상자원부의 산업기술혁신사업?(RS-2022-00154983,?저전력 센서와 구동을 위한 자립형전원 센서 플랫폼 개발)의 지원으로 수행되었고, 연구 결과는 세계 최고의 에너지 소재 및 소자 전문 저널인 와일리 (Wiley) 출판의 어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials, IF: 27.8)에 표지논문으로 게재되었다.  https://doi.org/10.1002/aenm.202302471

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