융합공학부 황병일 교수 연구팀, 폐자원 기반 자가발전 웨어러블 압전 센서 개발
우리 대학 한-스웨덴 섬유기반 자립형 미래에너지 소재기술혁신센터(센터장: 황병일 융합공학부/지능형반도체공학과 겸) 연구진이 스웨덴 찰머스공과대학 Ergang Wang 교수 연구팀, 스웨덴 RISE 연구소 Anja Lund 박사, 전북대학교 임수만 교수 연구팀과 공동연구를 통해 폐자원 유래 셀룰로오스 나노결정을 활용한 자가발전 웨어러블 압전 센서를 개발했다.
해당 연구성과는 국제학술지 Advanced Composites and Hybrid Materials (I.F. 21.8)에 「Sulfated Cellulose Nanocrystals into Piezoelectricity- Introducing a New Material into Piezoelectric Energy Harvesting and Smart Strain Sensing for Health Monitoring Applications」라는 제목으로 게재됐다.
연구팀은 폐티슈에서 얻은 셀룰로오스 나노결정에 황산기 기능기를 도입한 황산화 셀룰로오스 나노결정(SCNCs)을 개발하고, 이를 탄소나노튜브(CNT), 폴리비닐알코올(PVA), 닥종이 기반 기판과 결합해 유연 압전 복합소자를 구현했다. 황산화 처리는 셀룰로오스 나노결정의 표면전하 밀도와 쌍극자 정렬을 향상시켜, 기계적 변형에 따른 전기 출력 특성을 크게 높이는 역할을 했다.
개발된 소자는 기계적 변형 조건에서 약 6–8 V의 개방전압과 120–150 nA의 단락전류를 나타냈으며, 손가락 굽힘, 손목 맥박, 목 움직임 등 다양한 생체 움직임을 감지했다. 또한 0.5–2초 수준의 빠른 응답시간과 80% 이상의 민감도를 보여 웨어러블 헬스케어 센서로의 활용 가능성을 입증했다.
연구팀은 소자를 Arduino 기반 회로와 연동해 환자용 응급 알림 시스템, 스마트 도어벨, 제한구역 침범 감지용 안전 경고 시스템 등으로 확장 적용할 수 있음을 확인했다. 이는 개발된 SCNC 기반 복합소자가 자가발전 센서, 스마트 헬스케어, 인간-기계 인터페이스 및 공공 안전 모니터링 시스템에 활용될 수 있음을 보여준다.
황병일 교수는 “이번 연구는 버려지는 셀룰로오스 기반 폐자원을 고성능 자가발전 웨어러블 센서 소재로 전환한 사례”라며 “친환경 바이오 소재의 표면화학 제어를 통해 압전 특성을 향상시키고, 이를 실제 헬스케어 및 안전 모니터링 시스템으로 확장할 수 있음을 보여준 의미 있는 성과”라고 밝혔다. 한편, 본 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단의 해외우수연구기관 협력허브사업의 지원을 받아 수행되었다.
해당 연구성과는 국제학술지 Advanced Composites and Hybrid Materials (I.F. 21.8)에 「Sulfated Cellulose Nanocrystals into Piezoelectricity- Introducing a New Material into Piezoelectric Energy Harvesting and Smart Strain Sensing for Health Monitoring Applications」라는 제목으로 게재됐다.
연구팀은 폐티슈에서 얻은 셀룰로오스 나노결정에 황산기 기능기를 도입한 황산화 셀룰로오스 나노결정(SCNCs)을 개발하고, 이를 탄소나노튜브(CNT), 폴리비닐알코올(PVA), 닥종이 기반 기판과 결합해 유연 압전 복합소자를 구현했다. 황산화 처리는 셀룰로오스 나노결정의 표면전하 밀도와 쌍극자 정렬을 향상시켜, 기계적 변형에 따른 전기 출력 특성을 크게 높이는 역할을 했다.
개발된 소자는 기계적 변형 조건에서 약 6–8 V의 개방전압과 120–150 nA의 단락전류를 나타냈으며, 손가락 굽힘, 손목 맥박, 목 움직임 등 다양한 생체 움직임을 감지했다. 또한 0.5–2초 수준의 빠른 응답시간과 80% 이상의 민감도를 보여 웨어러블 헬스케어 센서로의 활용 가능성을 입증했다.
연구팀은 소자를 Arduino 기반 회로와 연동해 환자용 응급 알림 시스템, 스마트 도어벨, 제한구역 침범 감지용 안전 경고 시스템 등으로 확장 적용할 수 있음을 확인했다. 이는 개발된 SCNC 기반 복합소자가 자가발전 센서, 스마트 헬스케어, 인간-기계 인터페이스 및 공공 안전 모니터링 시스템에 활용될 수 있음을 보여준다.
황병일 교수는 “이번 연구는 버려지는 셀룰로오스 기반 폐자원을 고성능 자가발전 웨어러블 센서 소재로 전환한 사례”라며 “친환경 바이오 소재의 표면화학 제어를 통해 압전 특성을 향상시키고, 이를 실제 헬스케어 및 안전 모니터링 시스템으로 확장할 수 있음을 보여준 의미 있는 성과”라고 밝혔다. 한편, 본 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단의 해외우수연구기관 협력허브사업의 지원을 받아 수행되었다.