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광운대학교, 마찰전기 나노발전기를 이용한 스마트 깔창 개발

광운대학교 박재영 전자공학과 교수 연구팀이 최근 마찰전기 나노발전기를 기반으로 한 무전원 압력센서와 딥러닝 기술을 접목한 보행 분석 스마트 깔창을 개발했다고 밝혔다.

요즘은 웨어러블 센서를 활용한 스마트 보행 감지 장치에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있는데, 그 중에서도 정전용량형과 저항형, 마찰전기 기반 웨어러블 압력센서에 대한 관심이 높아지고 있다.

하지만 정전용량형 센서는 기생 정전용량이 발생하고 저항형 센서는 온도 드리프트(Drift) 문제를 안고 있다는 단점이 있다. 또한, 각각의 정전 용량 또는 저항 값을 전압으로 변환하기 위해 추가 회로가 필요하다.

이에 반해 마찰전기 나노발전기 기반 압력센서는 별도의 전원 공급회로 없이도 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 친화력으로 인해 풍부한 표면 전하를 갖는다. 전하 트래핑층에 사용된 실록신은 미세한 쌍극자를 형성해 층의 유전율을 향상시키며, 코발트 나노다공성 탄소는 더 큰 다공성을 가지고 넓은 표면적을 제공하여 전하 저장을 위한 충분한 활성 사이트를 제공한다.

전하 포획층이 없다면 전자는 전극의 양전하와 결합되어 상쇄되기 쉽다. 전하 트래핑층은 전자의 전극으로의 확산을 방지하고 전하 감소율을 줄여 표면 전하밀도와 TENG(Triboelectric Nanogenerator, 마찰전기 나노발전기)의 전체 출력 성능을 향상시킨다.

박 교수팀이 제작한 이중층 나노섬유기반 나노발전기의 전압 출력은 보행 분석에 활용되는 스마트 깔창에 응용될 예정이다. 이 깔창은 무전원으로 작동하며, 딥러닝 기술과 결합하여 보행 분석 등 다양한 용도로 활용될 수 있다.

이러한 연구는 스마트 보행 감지 시스템과 관련된 기술 개발을 통해 보행 장애인의 생활 편의성을 높이고 안전성을 향상시킬 수 있다는 의미에서 의의가 있다.

광운대학교는 이번 연구를 통해 마찰전기 나노발전기 기술의 활용 가능성을 입증하고, 향후 보행 관련 분야에서의 활용에 대한 더 많은 연구와 발전을 기대하고 있다.

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