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Research

운동 자세의 정확한 분석이 가능한 생체친화적 자가발전 센서 기술 개발

  • 조회. 250
  • 등록일. 2022.11.10
  • 작성자. 대외협력팀

- DGIST 김회준·홍선기 공동 교수팀, 인체에 무해한 소재 활용한 고효율 압전 에너지 하베스팅 기술 개발

- 신체에 부착해 에너지 생성은 물론 운동 자세 진단까지 가능해‘Nano Energy’11월 호 게재

 

 DGIST(총장 국양) 로봇및기계전자공학과 김회준 교수·화학물리학과 홍선기 교수 공동 연구팀은 생체친화적인 페로브스카이트 소재를 활용한 고효율 압전 에너지 하베스팅 기술을 개발했다고 10() 밝혔다.

 신체의 움직임과 같은 물리적인 에너지원을 전기 에너지로 전환시키는 압전 에너지 하베스팅 기술은 높은 에너지 효율과 다양한 소재로의 활용이 가능하기에 차세대 에너지원으로 꼽히고 있다. 그러나, 기존 압전 소재들은 대부분 인체에 유해한 납 성분을 포함하고 있다. 그렇기 때문에 압전 에너지 하베스팅 기술은 소형 전자기기의 전력원으로 활용이 되어 왔으나 인체에 활용하기에는 안정성 문제가 있었다.

 이러한 기존 기술 및 소재의 한계를 돌파하기 위해 본 연구진은 인체에 적용 가능한 생체적합성 소재 중 우수한 압전성을 지닌 CTO 소재를 합성하고 이의 자세한 전기적, 물리적, 열적 특성을 분석했다. 또한 압전 폴리머인 PVDF 소재와 혼합하여 유연하고 외부의 충격에 강인한 복합소재를 개발하는데 성공했다.

 생체친화적 특성을 검증하기 위해 세포 생존율 테스트(cell viability test)를 진행한 결과, 개발한 복합소재는 높은 생존율뿐 아니라 세포 번식력을 보여주어 인체에 적용해도 문제가 없음을 확인했다.

 개발한 압전 에너지 발전 소자는 최대 전압 20V, 전류 250nA를 달성해 전자계산기, 손목시계와 같은 소형 전자기기의 전력원으로 활용할 수 있었다. , 물체의 진동에서 발생하는 운동에너지를 수확하여 자가발전 진동 센서로의 활용 가능성도 검증해 더욱 폭넓은 범위에서 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

 본 연구에 적용된 소재는 인체에 적합한 소재인 만큼 신체 부위에 부착하여 걸음걸이, 몸의 움직임 등에서 실시간으로 에너지를 수확할 수 있었다. 특히, 발바닥에 센서를 부착하고 간단한 줄넘기 운동을 실시해 사용자의 운동능력과 줄넘기 자세를 평가하는 자가발전 센서로서 활용 가능성도 시사했다. 효율적인 운동 자세의 진단을 위해 인공 신경 회로망(ANN: artificial neural network) 분석 기법을 활용해 측정한 결과, 99.63%의 높은 성공률로 운동 자세의 옳고 그름을 판별할 수 있었다.

 로봇및기계전자공학과 김회준 교수는 생체친화적 소재에도 우수한 압전 특성이 존재한다는 것을 증명하였으며 이를 통해 기존 재료의 한계를 뛰어넘을 수 있다는 부분에 큰 의미가 있다고 생각한다.”라며 이번 연구를 발판으로 차세대 친환경 에너지원의 개발에 도전하고, 나아가 외부전력이 필요 없는 자가발전 센서 시스템 연구도 지속할 것이다.”라고 밝혔다.

 한편, 본 연구는 한국연구재단 우수신진연구 및 DGIST 기본사업의 지원으로 이루어졌으며 인도·호주·태국의 연구진이 참여한 글로벌 연구다. 또한, 에너지 분야의 세계적 과학 저널 ‘Nano Energy’ 11월 호에 게재됐다.

 

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연구결과개요

Biocompatible CaTiO3-PVDF composite-based piezoelectric nanogenerator for exercise evaluation and energy harvesting  

(S. Panda, S. Hajra, H. Jeong, B.K. Panigrahi, P. Pakawanit, D. Dubal, S. Hong, and H.J, Kim)

(Nano Energy, 11월호 오프아인 게제, 8월 온라인 게재)

 

  • 연구는 생체친화적 페로브스카이트 소재인 CaTiO3 (CTO)와 압전 폴리머 소재인 PVDF (polyvinylidene fluoride) 기반의 복합소재를 활용한 유연 고효율 압전 에너지 하베스팅 소자 기술을 보고한다.
  • 에너지 하베스팅 기술은 높은 에너지 효율과 다양한 소재의 활용이 가능하기에 차세대 에너지원으로 꼽히고 있으나 기존 압전소재들은 대부분 인체에 유해한 납 성분을 포함하고 있다는 단점이 존재한다. 그렇기에 압전 에너지 하베스팅 기술은 소형 전자기기의 전력원으로 활용이 되어 왔으나 인체에 활용하기에는 안정성에 문제가 있었다.
  • 기존 기술/소재의 한계를 돌파하기 위해 본 연구진은 인체에 적용 가능한 생체적합성 소재 중 우수한 압전성을 지닌 CTO 소재를 합성하고 이의 자세한 전기적, 물리적, 열적 특성을 분석하였다. 또한 압전 폴리머인 PVDF 소재와 혼합하여 유연하고 외부의 충격에 강인한 복합소재를 개발하는데 성공 하였다.
  • 특성을 검증하기 위해 세포 생준율 테스트 (cell viability test)를 진행하였고 개발한 복합소재는 높은 생존율뿐 아니라 세포 번식력을 보여주었기에 인체에 적용해도 문제가 없음을 확인 하였다.
  • 압전 에너지 발전소자는 최대 전압 20V, 전류 250nA를 달성하였으며 가해지는 압력에 따른 응답 특성을 면밀히 분석하였다. 또한 상용축전기를 충전하여 전자계산기, 손목시계와 같은 소형 전자기기의 전력원으로 활용하였다. 물체의 진동에서 발생하는 운동에너지를 수확하여 자가발전 진동 센서로의 활용 가능성도 검증 하였다.
  • 적합한 소재인 만큼 사용자의 발바닥, 신체부위에 부탁하여 걸음걸이, 몸의 움직임 등에서 실시간으로 에너지를 수확할 수 있었다. 특히, 발바닥에 센서를 부착하고 간단한 줄넘기 운동을 실시하여 사용자의 운동능력과 줄넘기 자세를 평가하는 자가발전 센서로서 활용하였다.
  • 운동 자세의 진단을 위해 인공 신경 회로망 (ANN: artificial neural network) 분석 기법을 활용하였으며 99.63%의 높은 성공률로 운동 자세의 옳고 그름을 판별하였다.
  • 연구는 한국연구재단 우수신진연구, DGIST 기본사업의 지원으로 이루어 졌으며 DGIST 로봇 및 기계전자공학과 김회준 교수 연구팀과 화학물리학과 홍선기 교수 연구팀의 협력 연구로 진행 되었다. 또한, 인도, 호주, 태국의 연구진이 참여하였다.

 

 

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연구결과문답

Q. 이번 성과 무엇이 다른가?

  • 삶속에서 발생하는 다양한 기계적인 진동 또는 움직임으로부터 에너지를 수확하는 압전 에너지 하베스팅 기술은 차세대 친환경 에너지원으로 각광받고 있다.
  • 기존의 압전소재들은 납과 같은 유해하고 충격에 취약한 단단한 소재들이 주를 이루고 있다.
  • 연구에서는 생체친화적 페로브스카이트 소재와 유연 압전 폴리머를 혼합한 복합소재를 활용하여 기존의 단점들을 극복 하였다.

Q. 어디에 쓸 수 있나?

  • 유연 압전 소재는 다양한 물체에 부착하여 움직임, 진동과 같은 운동 에너지를 수확할 수 있다.
  • 인체에 무해한 소재로 이루어져 있어 신체에 부착하여 실시간 운동 및 생체신호 측정에 활용이 가능하다.

Q. 실용화까지 필요한 시간과 과제는?

  • 연구에서 보고한 생체친화적 소재 기반 압전 에너지 하베스터는 세계 최고수준의 압전 에너지 하베스터에 비해 출력량이 부족하다.
  • 연구는 재료의 활용 가능성을 보여주며 향후 고효율 압전소재의 융합과 소자 디자인의 고도화를 통해 실용화를 앞당기고자 한다.
  • 다양한 환경(온습도, 압력 등)에 대한 심도있는 분석이 필요하다.

Q. 연구를 시작한 계기는?

  • 연구실은 압전, 마찰전기(triboelectric) 과 같은 에너지 하베스팅 기술을 기반으로 한 차세대 전력원 및 자가발전 센서를 연구하고 있다.
  • 보고되고 있는 친환경/생체친화적 에너지 하베스팅 및 저장 연구들을 접한 뒤 본 연구에 도전하였다.

Q. 어떤 의미가 있는가?

  • 연구는 최근 그 중요성이 증대되고 있는 친환경, 차세대 에너지원의 개발에 핵심 요소기술로서 활용이 기대된다.
  • 최근 주목받는 인체 삽입형 에너지 발전기술에 접목기 가능할 것으로 기대한다.
  • , 생체친화적 소재에도 우수한 압전특성이 존재한다는 것을 증명하였으며 이를 통해 기존 재료의 한계를 뛰어넘을 수 있다는 부분에 큰 의미가 있다고 생각한다.

Q. 꼭 이루고 싶은 목표는?

 

  • 연구진은 이번 연구를 발판으로 차세대 친환경 에너지원의 개발에 도전하고자 한다. 나아가 생활속에서 버려지는 에너지를 수확하고 또한 이를 감지함으로서 외부전력이 필요없는 자가발전 센서 시스템 연구도 지속 할 것이다.

 

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그림설명

[그림 1] 연구진 사진

(연구진 사진: 김회준, 홍선기 교수 연구팀) 

 

[그림 2] 연구개념도

 

 

 

 

콘텐츠 담당 담당부서  :   대외협력팀 ㅣ 053-785-1135