수(좌측부터)박재영 교수, 소헬 교수, 아부 박사

광운대학교 박재영 교수(전자공학과) 연구팀은 일상생활에서 버려지는 인체의 기계 에너지(걷기, 달리기, 등산 등)에서 초고출력의 전기를 반영구적으로 수확할 수 있는 하이브리드 에너지 수확 소자와 땀에서 Na+(나트륨), K+(칼륨), Ca2+(칼슘), pH(수소이온) 및 체온 등 다종의 생체신호를 실시간 모니터링 할 수 있는 멀티센서 패치를 하나로 통합하여 자가충전 친환경 땀 성분 모니터링 플랫폼 개발에 성공했다.

본 플랫폼은 별도의 전기 충전이 없이도 일상생활 가운데 자가 충전이 가능하고 땀 성분을 블루투스와 스마트폰을 통하여 실시간으로 모니터링해 질병 진단과 건강관리에 효율적으로 활용할 수 있는 스마트 디지털 의료/헬스케어 핵심기술로 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

과학 기술의 발전과 더불어 의료/헬스케어 모니터링과 같은 다기능 휴대용/웨어러블 스마트기기가 일상생활에서 많이 사용되고 있다. 특히, 땀에는 혈액의 대사물질, 영양분, 이온 농도 등의 화학 정보가 포함되어 있어 이를 모니터링 하면 질병과 건강 상태를 파악할 수 있기 때문에 다양한 땀 성분 모니터링 센서 및 시스템이 국내외에서 연구개발 되고 있다. 이러한 비침습형 스마트기기 및 센서 시스템들을 연속적으로 사용하기 위해서는 별도의 전원으로 주기적 충전이 없이도 자가 충전이 가능하고, 센서 시스템과 일체화된 초소형의 반영구적 전원 공급원이 반드시 필요하다. 이에 진동 기반의 친환경 에너지수확 기술이 지속 가능한 반영구적 전원으로 활용 가능하기 때문에 많은 연구가 이루어지고 있다. 하지만 지금까지 보고된 진동기반 에너지수확기술은 복잡한 제작 공정, 낮은 견고성, 출력 전력밀도가 너무 낮아 웨어러블 생체신호 모니터링 시스템에 독립전원으로써 활용하는데 한계가 있었다.

본 연구팀은 전자기력-마찰전기 하이브리드 에너지수확소자와 유연 마이크로유체 기반 땀-이온 감지 및 모니터링 멀티센서 패치를 하나로 통합한 자가 충전 웨어러블 생체신호 모니터링 플랫폼을 성공적으로 개발했다. 연구팀이 개발한 하이브리드 에너지수확소자는 할바흐 자석배열(Halbach magnet array)을 이용한 전자기력 에너지 수확소자와 나일론-폴리알릴아민(Nylon@polyallylamine) 합성 나노섬유(양성 마찰소재)와 폴리비닐리덴플루오라이드-산화코발트(Polyvinylidene fluoride (PVDF)@Co3O4) 복합 나노섬유(음성 마찰소재)를 이용한 마찰전기 에너지 수확소자를 하나의 디바이스로 결합한 구조로 스마트폰이나 스마트밴드와 같은 다양한 웨어러블 스마트기기에 반영구적 전원으로 활용가능 할 정도의 초고출력의 전기를 생산했다.

자석 배열은 영구자석으로부터 나오는 자속의 세기를 강화시키고 한쪽의 코일에만 결합을 집중시켜 초고출력을 냄과 동시에 수확소자의 크기를 소형화하기 위하여 사용하였고, 나노섬유기반 마찰전기 소재를 사용하여 접촉면적을 넓히고 기계적 특성을 크게 향상시켜 초고출력과 신뢰성을 갖춘 슬라이딩 기반 마찰전기 에너지수확소자를 제작하였다. 제작된 하이브리드 에너지수확소자는 6Hz에서 각각 마찰전기 나노발전기(TENG) 및 전자기력 발전기(EMG)에 대해 0.65mW 및 328.54mW의 출력을 나타냈고, 전력관리회로(PMC)를 통해 150초 안에 3.7V 500mAh 리튬 이온 배터리를 충전할 수 있었습니다. 땀 이온센서는 고체 접촉 이온 선택 전극의 잠재적 드리프트를 해결하기 위해 소수성이 높은 나노 다공성 탄소 개질 전극을 사용함으로써, Na+(56.1mV dec−1), K+(55.2mV dec−1), Ca2+(30.8mV dec−1), 그리고 pH(69.7mV dec−1) 감지에서 우수한 성능을 나타냈다.

또한 연구팀은 개발한 하이브리드 에너지하베스팅 소자로 스마트폰, 이어버드, 스마트워치, 스마트밴드 충전을 성공적으로 시연하였을 뿐만 아니라 인체에 부착하여 4종의 땀 이온과 체온을 실시간으로 모니터링함으로써 사업화 가능성을 타진했다.

이번 연구는 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단 중견연구자 지원사업(RS-xxxx-xxxx1167) 및 한국산업기술진흥원의 산업기술혁신사업(RS-xxxx-xxxx4983, 저전력 센서와 구동을 위한 자립형전원 센서 플랫폼 개발)으로 수행되었고, 연구 결과는 세계 최고의 기능성 소재 및 소자 전문 저널인 와일리(WILEY) 출판의 어드밴스드 펑셔널 머트리얼즈(Advanced Functional Materials, IF: 18.5) 논문에 게재되었다. 1저자인 소헬 교수는 2023년 7월부터 방글라데시 공립대학(Noakhali Science and Technology University) 조교수로 재직중이며 아부 박사는 2023년 3월부터 미국 펜실베이니아 대학교(University of Pennsylvania) 포닥 연구원으로 근무 중이다.