항균·자가발전 센서 기술로 웨어러블 시장 혁신 이끈다

- 메조포러스 실리카 기반 마찰전기 나노발전기 기술 

- 검출감도 7.5배 향상, 99.9% 항균력 확보

논문이 게재된 ‘Small Methods’ 표지. (자료제공: KICET)

한국세라믹기술원(KICET, 원장 윤종석)은 장정호 박사 연구팀이 전남대학교(총장 이근배) 고분자융합소재공학부 박종진 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 마찰전기 나노발전기(TENG)에 메조포러스 실리카 기반 복합소재 기술을 적용함으로써 웨어러블 센서의 실용성과 성능을 크게 향상시켜 항균성과 자가발전 기능을 동시에 구현할 수 있는 차세대 웨어러블 센서 기술을 개발했다고 5월 22일 밝혔다.

기존 마찰전기 나노발전기를 활용한 웨어러블 기기는 마찰전기* 자체의 전류량이 적고, 에너지 밀도가 낮아 고효율 발전이 어렵다. 또한 온도, 습도 등 외부 환경에 민감하게 반응하여 출력이 불안정하다는 문제점을 갖고 있어 범용적 전력원으로 사용하기에 실용성이 현저히 떨어지는 한계가 있다. (*마찰전기 나노발전기 (TENG, Triboelectric Nanogenerator) : 두 물체가 문지르거나 닿았다가 떨어질 때 생기는 정전기를 이용해 전기를 생산하는 기술)

연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해, 1그램당 10억 개 이상의 균일한 나노기공을 갖는 메조포러스 실리카소재*의 나노기공 표면에 미세자기장을 형성하는 전이금속 이온들을 코팅하는 기술을 적용하여 기존 비다공성 소재 대비 마찰전기의 포획과 감금 효율을 100배 이상 향상시켰다. (*메조포러스 실리카(Mesoporous Silica)는 눈에 보이지 않을 정도로 아주 미세한 나노크기의 기공(2~50nm, 머리카락 굵기의 약 5만분의 1)들이 연탄구멍과 같은 직선형으로 발달되어 높은 비표면적(800㎡/g 이상)을 갖는 실리카 소재)

특히, 해당 기술을 센서 필름 형태로 구현하여 손가락, 무릎, 팔꿈치 관절 등에 부착한 결과, 관절의 굽힘에 따라 발생하는 압력 변화에 대한 검출감도를 기존 대비 7.5배까지 향상시켰으며, 식중독 유발, 아토피 피부염 악화의 주범인 황색포도상구균에 대해 99.9%의 항균 특성도 입증하였다. 

공동연구팀은 “이번 기술은 향후 스마트 헬스케어 디바이스, 스마트 의류용 전자섬유, IoT 기반 무전원 스마트 센서, 스포츠 웨어러블 분야 등 다양한 산업에 적용 가능성이 높다”며 “자가발전과 항균 기능을 동시에 갖춘 센서 플랫폼으로서 활용될 수 있을 것”이라고 밝혔다.

이번 연구는 한국연구재단의 “중견연구자지원사업”과 산업통상자원부의 “산업기술혁신사업”의 지원을 받아 달성한 성과로서, 국제 저명학술지 ‘Small Methods’ 2025년 4월호 Frontispiece Cover 논문으로 선정됐다.

[Ceramic Korea (세라믹뉴스)=이광호 ]