연구 개요
연세대학교 BLISS Lab(서정목 교수 연구실)이 탄소나노튜브(CNT)를 넣은 하이드로겔 전극을 Ecoflex 엘라스토머로 덮어, 늘어나고 피부에 붙으며 스스로 회복하는 단일 전극형 마찰전기 나노발전기(TENG)를 개발한 연구입니다. 소자는 약 180 V의 개방회로 전압과 0.8 μA의 단락 전류를 나타냈고, 전력 관리 회로를 쓰면 100 μF 축전기에 1분간 저장된 에너지가 직접 충전의 1.06 μJ에서 2.93 μJ로 늘었습니다.
연구 배경
TENG는 신체 움직임을 전기에너지로 바꾸어 웨어러블 기기의 전원으로 검토되고 있으나, 과도한 기계적 응력을 받으면 성능이 떨어지고, 엘라스토머 기반 소자는 기계적 불일치 때문에 피부에 잘 밀착되지 않습니다. 조직과 비슷한 탄성률의 하이드로겔은 피부에 밀착되지만 수분이 많아 손상에 취약하며, 강인한 하이드로겔도 긁힘이나 절단에는 대응하지 못합니다. 또한 낮은 주파수의 손 두드림과 TENG의 높은 임피던스 때문에 직접 저장할 수 있는 에너지가 제한됩니다.
설계와 접근
전극은 폴리비닐알코올(PVA), 탄닌산(TA), 폴리아크릴산(PAA), 카복실기로 기능화한 CNT로 이루어진 이중 네트워크 하이드로겔입니다. TA는 PVA와 약하고 가역적인 수소결합을 이루고, PAA는 이황화 가교를 포함한 공유결합을 더하며, CNT는 전도 경로를 제공합니다. PAA에 도입한 N-하이드록시숙신이미드(NHS) 에스터기는 피부나 아민기로 기능화한 표면의 1차 아민기와 공유결합합니다. Ecoflex는 전극을 덮는 하부 마찰대전층이고 피부가 반대편 층 역할을 합니다. 정류기, 자율 스위치(제너 다이오드로 트리거되는 실리콘 제어 정류기), DC 강압 변환기로 구성한 전력 관리 회로가 작은 입력 축전기의 에너지를 출력 축전기로 전달합니다.
다기능 하이드로겔–엘라스토머 마찰전기 발전기와 에너지 저장 회로, 발광소자 및 모스 부호 시연을 정리합니다.
Jinseok Oh, Minkyong Kang, Jae Park 외. “Autonomously Self‐healing, Adhesive, and Stretchable Triboelectric Nanogenerator Using Multifunctional Hydrogel‐Elastomer Double Layer with a Power Management Circuit”. Figure 1. DOI: 10.1002/aelm.202400013. CC BY 4.0. 그림 내용은 변경하지 않았습니다.
평가 방법
하이드로겔의 탄성률, 10·25·50·100% 변형률의 반복 인장-압축, 15% 변형률에서의 응력 완화, PDMS·유리·Ecoflex·돼지 피부에 대한 90도 박리 접착, 자가치유 효율, 전도도를 측정했습니다. TENG 출력은 반복 누름, 절단 후 자가치유, 0~20% 변형, PDMS를 상부층으로 한 약 0.5 Hz 스텝 모터 구동 1000회 이상 반복, 습도 30·45·60%, 100 Ω~10 GΩ 부하 저항 조건에서 평가했습니다. 전력 관리 회로를 거친 충전과 직접 충전을 비교했으며, VHB 필름에 붙여 피부에 닿게 한 TENG로 비밀번호 스위치와 모스 부호 입력을 시연했습니다.
연구 내용과 주요 결과
하이드로겔의 영률은 약 30 kPa로 연조직 범위(10~100 kPa)에 들었고, PVA 대 TA 비율(1:1, 1:1.5, 1:2)로 조절할 수 있었습니다. 100% 변형률까지의 반복 인장-압축에서 에너지 소산이 반복되었고, 15% 변형률에서 수 초 안에 초기 응력의 절반으로 완화되었으며, PVA 단독 하이드로겔은 응력이 줄지 않았습니다. 시험한 재료에 대한 접착력은 65~260 N m−1였고, SEM에서 하이드로겔과 돼지 피부 사이에 틈이 관찰되지 않았습니다.
절단한 하이드로겔은 상온에서 300초 자가치유 후 인장강도를 100% 회복했습니다. 전도도는 CNT 농도 6 mg mL−1의 문턱에서 약 1 S m−1에 이르렀고, 절단 후 접촉, 신장 후 이완 과정에서 전기 저항이 회복되었습니다.
TENG는 약 180 V의 개방회로 전압과 0.8 μA의 단락 전류를 냈습니다. 초록은 최대 전력 피크를 37.8 mW m−2로 보고했고, 부하 측정에서는 정합 저항 200 MΩ에서 최대 피크 전력 60.8 μW를 얻었습니다. 소자는 10분 뒤 비평면 구조에 완전히 밀착되었고, 손상 후 자가치유하면 출력이 회복되었으며, 0~20% 변형에서 전압이 감소하지 않았고, 1000회 이상 반복 작동에서 성능 저하가 없었습니다. 습도 30·45·60%에서도 성능 저하가 관찰되지 않았습니다.
1단계에서는 반파 정류기가 0.47 nF 입력 축전기에서 더 많은 에너지를 저장했고, 직접 충전과 비교하면 전력 관리 회로는 출력 전력을 80.7% 효율로 유지하면서 부하를 100 MΩ에서 22 MΩ으로 낮췄습니다. 100 μF 축전기를 1분간 충전했을 때 직접 충전은 0.146 V(1.06 μJ), 회로 사용 시 0.242 V(2.93 μJ)였으며, 저자들은 이를 약 세 배의 개선으로 설명했습니다. 2.2 μF와 4.7 μF 축전기는 각각 87초와 172초 만에 5 V까지 충전되었고, 저장된 에너지로 LED와 스톱워치를 구동했습니다. 1~4초의 누름 시간으로 숫자 1~4를 입력하는 비밀번호 스위치를 구현했고, 1~2초와 2초 초과의 누름을 모스 부호의 점과 선으로 구분해 "peace", "love", "S.O.S"를 전송했습니다.
남은 과제
저자들은 부하 특성 결과가 손 두드림의 낮은 주파수와 TENG 고유의 높은 부하 임피던스 때문에 부하 구동 능력이 낮음을 보여 준다고 밝혔으며, 이것이 전력 관리 회로를 도입한 이유입니다.
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초록을 참고한 소개해설에 사용한 자료
이 해설은 게재본(Advanced Electronic Materials, Wiley PDF 11쪽, 로컬 사본)의 본문, 그림 설명, 실험 방법을 바탕으로 합니다. 보충자료(Figure S1–S22)와 Video S1–S2는 검토하지 않았으며, 보충 그림에 해당하는 수치는 본문에 서술된 값만 사용했습니다.