성대 융복합 센서 소재공정 플랫폼 센터 김상우 교수팀 논문, 국제 학술지 게재

경기도는 산·관·학 협력 사업인 경기도 지역협력연구센터(Gyeonggi Regional Research Center·GRRC)의 성균관대학교 융복합 센서 소재공정 플랫폼 센터 소속 김상우 교수팀의 논문 ‘패치 및 이식 가능한 2D 나노제너레이터(Patchable and Implantable 2D Nanogenerator)’이 2차원 재료 분야 국제 저명 학술지인 ‘Small 2019’에 게재됐다고 10일 밝혔다.

김 교수 팀은 이번 논문에서 현재까지 이루어진 2차원 물질을 이용한 압전 및 마찰 대전을 이용한 에너지 하베스팅 연구에 대해 분석하고 스마트 기기 및 생체 삽입형 의료 기기의 반영구적인 활용을 위해 2차원 물질의 압전/마찰 대전 전기 나노 발전기 연구가 어떤 방향으로 진행되어야 할지에 대한 접근과 방법을 제시했다. 에너지 하베스팅(energy harvesting)이란 일상에서 버려지는 에너지를 수집해 전기로 바꿔 쓰는 기술을 가리킨다.

김 교수 연구팀은 2차원 재료를 이용한 압전 전기에너지 발생장치 (Piezoelectric Nanogenerator : PENG)와 마찰 대전 전기에너지 발생장치(Triboelectric Nanogenerator : TENG)에 대한 현재까지의 연구들을 물질연구, 구조연구 및 2차원 물질의 독성 평가 등을 통하여 2차원 물질별 에너지 발생 효율, 변환 효율 및 적합성에 관해 정리했다.

기존의 PENG/TENG 연구에서는 3차원 물질 중 압전 특성을 가진 주로 산화 아연(ZnO), 질화알루미늄(AIN), 타이타늄산바륨(BaTiO₃) 등 이나 마찰 대전 물질 중 마찰 대전 후 음전하를 띄게 되는 네거티브(Negative) 특성을 가진 물질(주로 플루오린(Fluorine) 계열, 폴리테트라 플루오로에틸렌(PTFE), PFA (Per Fluoro Alkoxy) , 강화플라스틱(FEP) 등)에 대한 연구가 진행되어 왔다.

그러나 인체의 장력, 수축, 굽힘 및 혈액의 흐름, 심장 박동과 같은 작은 에너지원을 이용한 에너지 하베스터를 위해서는 부피 대 표면적의 비율이 높은 2차원 물질이 유리함을 갖기 때문에 2차원 물질 위주의 연구가 진행되었으며, 김 교수 연구팀은 향후 PENG/TENG가 인체 부착/삽입용 기기 및 센서 등의 직접적인 에너지원이 되기 위해서는 신호를 받는데 사용되는 nW(10억분의 1 와트)~수십 μW(100만분의 1 와트)의 전력부터 신호를 전송하는데 소모되는 mW 단위의 전력을 생산하여야 하며 해당 전력을 생산하기 위해서는 더 많은 물질에 대한 인체 적합성 등의 기초 연구와 다양한 동력원이 이용 가능한 구조 연구, 내·외부 충전 효율을 더 끌어 올릴 수 있는 회로 및 생물학적 장치에 필수적인 세포 독성에 대한 연구가 필요할 것이라고 밝혔다.

경기도 지역협력연구센터(GRRC) 사업은 경기도가 연구개발 인력이 부족한 중소기업을 지원하기 위해 도내 대학 연구소와 중소기업을 연결, 기술개발 활동을 지원하는 산·관·학 협력모델이다.

도는 지난해 이번 연구를 맡은 성균관대학교 융복합 센서 소재공정 플랫폼 센터(성균관대학교 지역협력연구센터(GRRC))에 도비 5억1000만 원을 지원해 연구를 도왔다.

박해식 동아닷컴 기자 pistols@donga.com