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박재영교수 연구팀(전자공학과), 이차전지와 아날로그 신호처리 회로 없이도 광범위의 압력을 쉽게 모니터링 할 수 있는 무전원 압력 센서 기술 개발 성공 (2018.06.01) “박재영교수 연구팀, 나노 PDMS, PDMS-CNT (Polydimethylsiloxan-carbon nanotube) 나노혼합물질, 3D 프린팅 기술 기반의 무전원 광대역 압력센서 및 임피던스 가변형 고효율 마찰전기 에너지수확 소자 관련 광운대 독자기술 개발 성공” 본교 박재영교수 연구팀(전자공학과)은 나노 PDMS와 PDMS-CNT 나노혼합물, 3D 프린팅 기술을이용하여 이차전지와 복잡한 아날로그 회로 없이도 광범위의 압력을 쉽게 모니터링할 수 있는 무전원 고감도 압력센서 및 인가된 광범위의 압력으로부터 고출력의 전기를 생산할 수 있는 고효율 마찰전기 에너지 수확소자 기술 개발에 성공하였다.

이차전지 사용 없이도 인체의 크고 작은 움직임을 정밀하고 쉽게 측정할 수 있는 무전원 압력센서 기술은 차세대 웨어러블 스마트 디바이스의 실용화 및 고급화를 위한 핵심, 원천기술로 평가되고 있다. 특별히, 고감도의 광대역 압력 감지 기술은 인체의 부드로운 접촉 (<10 kPa)부터 무거운 물체의 미세 조작 (>100 kPa)까지 다양한 실용적인 응용에 적용될 수 있기 때문에 더욱더 중요한 기술로 평가된다. 최근, 저렴한 제작 공정비용, 낮은 감지 한계, 높은 감도 등의 우수한 성능 때문에 마찰전기 에너지 수확소자를 활용한 무전원 압력 모니터링 센서시스템 연구가 활발하게 이루어지고 있다. 하지만 센서의 출력 전압은 높은 압력에서 쉽게 포화되기 때문에, 낮은 압력이나 중간 수준의 압력을 (<100 kPa) 하나의 센서로만 측정하는데 한계가 있다. 구조의 최적화와 적절한 마찰대전 물질의 사용, 그리고 표면 기능화를 통해서 마찰전기 에너지 수확소자의 출력 전압을 높게 증가시킨다 하더라도, 에너지 변환 효율이 매우 낮은 문제점이 있다. 특히, 광범위한 압력에서 사용가능한 고감도의 선형 압력센서와 고효율 에너지 수확소자 동시 구현은 더욱더 어려운 기술로 평가되고 있다. 박재영교수 연구팀은 광범위의 압력을 이차전지와 아날로그 회로 없이도 쉽게 감지 할 수 있는 무전원의 고효율, 고감도 마찰전기 압력 센싱 시스템을 개발하는데 성공하였다. 개발된 무전원 마찰전기기반 압력 센서는 5 kPa 에서부터 450 kPa까지의 광범위한 압력을 0.51 V/kPa의 높은 감도로 감지할 수 있고, 내부 임피던스 튜닝을 사용하여 에너지 변환 효율을 48.17 %까지 최대화 할 수 있다. 또한 개발된 소자는 빠른 응답 시간, 우수한 선형성 및 안정성 등 지금까지 보고된 센서와 비교하여 월등히 높은 성능을 갖는다. 신발 안창에 장착하여 몸무게가 각기 다른 실험자의 제자리 걸음에서 발생되는 다양한 압력을 하나의 센서로 측정함과 동시에 수확된 전기를 이용하여 상용 습도센서를 구동 시키는데 성공하였다. 이번 연구는 과학기술정보통신부의 바이오·의료기술개발사업 (2017M3A9F1031270), 산업통상자원부의 산업기술혁신사업(Technology Innovation Program, 10065696) 및 광운대학교의 교내연구비 지원으로 수행되었고, 연구 결과는 세계 최고의 에너지 연구 전문저널인 엘시비어 (Elsevier) 출판의 Nano Energy (IF: 12.343) 2018년 4월 24일자 온라인 판에 게재되었다.

Web link: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285518302891 

<광대역 고감도 압력센서 및 고효율 마찰전기 에너지 수확소자의 (a) 개념도, (b) 단면 개념도, (c) 나노구조물>

<고효율 마찰전기 에너지 수확소자의 CNT 농도별 출력 (a) 전압 및 (b) 전류, (c) 광대역 압력에 따른 출력 전압>

[출처 : 광운뉴스레터, https://www.kw.ac.kr/ko/life/newsletter.do?mode=view&articleNo=1504375  ]