아주대는 김성환·박지용 교수(물리학과·대학원 에너지시스템학과)가 피부나 옷감에 붙여 이들의 진동에 따라 생성된 마찰전기를 고효율로 수확할 수 있는 전자소자를 구현했다고 4일 밝혔다.
개발한 전자소자는 생체 친화 소재로, 높은 인장력과 탄성을 지닌 섬유로 관심을 받아 온 실크 단백질을 활용했다는 데 의의가 있다. 해당 연구는 에너지 분야 저명 학술지인 나노 에너지(Nano Energy)에 지난 1일 온라인 게재됐다. 논문의 제목은 ‘생체역학적 에너지 수확과 동작센싱을 위한 피부 접촉으로 구동되는 단일 전극 기반 단백질 나노 마찰전기 발생기와 변형센서’다.
신체 조직에 부착이 가능한 전자·광학소자는 차세대 헬스케어 소자로 주목받으면서 현재 전 세계적으로 관련 연구가 활발히 진행 중이다. 생체신호를 직접 읽고 분석할 수 있기 때문이다.
아주대 연구팀은 생체조직을 구성하는 성분 중 하나인 단백질 중에서 자연에서 구할 수 있는 우수한 기계적 물성을 지닌 실크 단백질에 주목했다.
연구팀은 실크 단백질 분자 수준에서의 물성개질을 위해 글리세롤을 도입해 투명하고 늘릴 수 있는 수화젤 필름을 구현했다.
수화젤은 많은 수분을 머금을 수 있는 고분자 물질인데, 고분자들이 연결되면서 만든 공간에 물 분자들이 들어갈 수 있다. 이 때문에 말랑말랑한 물성을 지니게 된다. 우리 인체 조직도 수화젤 중 하나로 볼 수 있다.
연구팀은 새로 구현된 투명 실크 필름에 은 나노와이어 전극을 집적해 안정적으로 수확된 전자들이 흐르게 했다. 또 CD의 표면을 활용해 실크 단백질 필름에 주기적인 패턴을 형성해 접촉면을 증가시켰다. 이렇게 제작된 마찰전기 수확소자는 피부에 직접 접촉 시 더 좋은 성능을 보였고, 5개의 직렬연결 LED를 켤 수 있을 정도의 에너지 수확을 가능하게 했다.
이는 최초로 피부 표면에 부착할 수 있는 마찰전기 에너지 수확이 가능함을 보여 준 것이다. 이 외에도 광학적으로 투명하기 때문에 다른 전자기기에 부착한 터치센서, 인체의 움직임을 감지하는 동작센서로도 응용이 가능하다.
김성환·박지용 연구팀은 "현재 인체로부터 에너지를 수확하려는 연구는 많은 진전을 이뤘지만 생체적합성 및 생체조직과의 인터페이스 문제는 상대적으로 간과돼 왔다"며 "이번에 개발한 소재 기술은 바이오 소재들이 물리 기반 소자 구현에도 적용될 수 있을 뿐 아니라 향후 다양한 헬스케어 소자에 적용될 수 있다"고 말했다.
박종대 기자 pjd@kihoilbo.co.kr
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