물리학과

- 고분자-이온성 액체 기반 복합 물질 적용… 기존 소재의 작동 한계 뛰어넘어
- 차세대 인체 착용형 촉각 감지 센서의 성능 개선 및 적용 범위 확대 기대
- 최첨단 나노기술 분야의 국제저명학술지 「Advanced Functional Materials」 게재

▲ 정권범 교수(물리학과)

동국대학교(총장 윤재웅)는 물리학과 정권범 교수 연구팀이 금오공과대학교 기계공학부 황희재 교수, 성균관대학교 기계공학부 최덕현 교수와 함께 ‘고분자-이온성 액체 기반의 고출력 실시간 온도 감지 센서 기술’을 개발했다고 밝혔다.

이번 연구는 온도에 따라 출력이 증가하는 온도 센싱 기반 마찰대전 나노발전기(Triboelectric Nanogenerator, 이하 TENG) 기술로 주목받으며, 최첨단 나노기술 분야 최고 수준 학술지 「Advanced Functional Materials (IF=19.0, JCR 상위 4.5%)」에 6월 22일 온라인 게재됐다.

최근 인체에 통합된 소형 웨어러블 기기가 개인의 건강 관련 중요 정보를 측정하는 등 다양한 IoT 기기들이 관심을 받고 있다. 하지만, 배터리의 무게와 잦은 재충전, 전자기기 발열로 인한 성능 저하 등 IoT 기기 활용에 제약이 있어, 외부 전원 없이 독립적으로 작동하고 기기의 온도 감지가 가능한 웨어러블 기기에 관심이 높아지고 있다.

TENG는 간단한 생산 방식, 가벼운 구조, 저렴한 가격으로 주목받는 유망한 에너지 변환 장치다. 하지만, 기존 TENG는 온도가 증가함에 따라 표면대전층이 공기 중으로 방출돼 출력이 감소하고 기기에 무리가 가해지는 한계가 있었다. 연구팀은 유리 전이 온도 부근에서 고분자 내부 matrix가 변화(microphase separation)하는 열경화성 폴리우레탄과 온도에 따라 유동성이 달라지는 이온성 액체를 혼합하여 복합재를 사용해 해당 문제를 해결했다.

연구팀은 형상기억 고분자-이온성 액체 복합재 기반의 TENG, 노트북(matlab)을 활용해 주변 온도를 실시간으로 알려주는 고출력/고성능 온도 센서를 개발했다. 이온성 액체-고분자 TENG는 신축성과 유연성, 부드러움, 투명성 등 장점을 가지고 있다. 또한, 이번에 개발한 TENG는 온도가 높아짐에 따라 내부 고분자 matrix가 변화하면서 고분자 내 이온들의 유동성 증가 및 출력 증가 특성을 보였다. 결과적으로, 작은 신체 활동으로도 웨어러블 기기 사용을 위한 에너지를 효율적으로 수확할 수 있게 된 것이다.

해당 센서는 실제 상용화된 온도계와 동일한 수준의 온도 정보를 실시간으로 감지하며, 배터리를 충전할 수 있는 성능을 보여줬다. 연구에 따르면, TENG는 80°C에서 최대 734V, 온도민감성 3.87V/°C의 높은 출력과 선형성(R²=0.9690)을 보였다. 연구팀은 20번의 반복 실험에서도 우수한 성능을 보인 것에 대해 “형상 고분자의 특성과 높은 열민감성의 이온성 액체를 바탕으로 한 성과”라고 덧붙였다. 이번 연구 결과는 TENG 연구의 확장 및 다양한 웨어러블 기기의 온도 감지 및 성능 유지의 발전에 기여할 것으로 기대를 모은다.

한편, 이번 연구는 한국연구재단의 중견연구자, 세종과학펠로우십 사업(No. RS-2024-00352476, RS-2024-00338055, RS-2022-NR072480)의 지원을 받아 수행됐다.