박재영 광운대 교수팀, 전원이 필요 없는 스마트 깔창 개발

전원이 필요 없는 보행 분석 스마트 깔창을 개발한 박재영 광운대 전자공학과 교수(왼쪽)와 쿠마르 석·박사통합과정./사진제공=광운대

광운대학교는 최근 박재영 전자공학과 교수 연구팀이 마찰전기 나노발전기를 기반으로 한 무전원 압력센서와 딥러닝 기술을 접목해 보행 분석 스마트 깔창(인솔)을 개발했다고 20일 밝혔다.

최근 웨어러블 센서를 활용한 스마트 보행 감지 장치에 대한 연구가 활발하게 이뤄지면서 정전용량형과 저항형, 마찰전기 기반 웨어러블 압력센서에 관심이 커지고 있다.

하지만 정전용량형 센서는 기생 정전용량이 발생하고 저항형 센서는 온도 드리프트(Drift)가 발생하는 문제점을 안고 있다. 뿐만 아니라 각각의 정전 용량 또는 저항 값을 전압으로 변환하기 위한 추가 회로가 필요하다.

이에 반해 마찰전기 나노발전기 기반 압력센서는 별도의 전원 공급회로가 없어도 보행에 따른 압력 변화를 전압 출력으로 나타낼 수 있다.

박 교수팀은 이런 과학적 사실을 활용해 멕신(MXene)/P(VDF-TrFE)를 전하 생성층으로, 실록신/코발트 나노다공성 탄소/P(VDF-TrFE)를 전하 트래핑층으로 구성하는 이중층 나노섬유 구조의 마찰전기 나노발전기를 제작했다.

전하 생성층인 MXene/P(VDF-TrFE)는 MXene의 높은 전기 음성도와 강한 전자 친화력 때문에 풍부한 표면 전하를 갖는다. 전하 트래핑층의 충전제인 실록신은 미세한 쌍극자를 형성해 층의 유전율을 향상하고, 코발트 나노다공성 탄소의 더 큰 다공성을 띠는 넓은 표면적은 전하 저장을 위한 충분한 활성 사이트를 제공한다.

전하 포획층이 없으면 전자는 전극의 양전하와 결합해 상쇄되기 마련이다. 전하 트래핑층은 전자가 전극으로 확산되는 것을 방지하고 전하 감소율을 줄여 표면 전하밀도와 TENG의 전체 출력 성능을 높인다.


박 교수팀이 제작한 이중층 나노섬유기반 나노발전기의 전류밀도와 표면 전위는 단일층 나노섬유 보다 2배 더 컸다. 전기방사 기술로 만든 나노섬유는 두께가 일정하고, 상대적으로 큰 압축성의 계층적 다공성 구조를 갖기 때문에 나노발전기 기반 압력센서를 제작하는데 유용하다.

박 교수는 "깔창에 부착된 무전원 압력센서와 블루투스를 이용해 사용자의 보행 패턴을 실시간으로 측정할 수 있다"며 "이렇게 얻어진 정보는 보행 분석·교정은 물론 행동 분석과 보안 시스템, 질병 예방 등에도 활용 가능할 것"이라고 설명했다.

한편 이번 연구는 과학기술정보통신부의 '한국연구재단 중견연구자 지원사업'과 산업통상자원부의 '산업기술혁신사업-저전력 센서와 구동을 위한 자립형 전원 센서 플랫폼 개발'의 지원을 받아 수행됐다. 연구 결과는 에너지 소재·소자 전문 저널인 엘스비어(Elsevier)의 나노에너지(Nano Energy, IF=19.069)에 게재됐다.

박재영 광운대 교수팀의 연구 자료 이미지./사진제공=광운대