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[대학저널 온종림 기자] 광운대학교는 박재영(사진) 전자공학과 교수연구팀이 마찰전기 나노발전기 기반 무전원 압력센서에 딥러닝 기술을 접목한 보행 분석 스마트 깔창(인솔)을 개발했다고 20일 밝혔다.
인솔은 신발 깔창에 부착된 무전원 압력센서와 블루투스를 이용해 사용자의 보행 패턴을 실시간으로 측정과 모니터링함으로써 보행 분석과 교정, 행동 분석, 보안 시스템 및 질병 예방에 폭 넓게 활용할 수 있다.
웨어러블 센서를 이용한 스마트 보행 감지 장치 개발 연구가 활발하게 이뤄지고 있으며, 정전용량형과 저항형, 마찰전기 기반 웨어러블 압력센서들이 가장 많이 연구되고 있다.
정전용량형 센서는 기생 정전용량이 발생하고, 저항형 센서는 온도 드리프트(Drift)가 발생하는 문제가 있다. 또한 이러한 센서는 각각의 정전용량 또는 저항 값을 전압으로 변환하기 위한 추가 회로가 필요하다.
하지만 마찰전기 나노발전기 기반 압력센서는 별도의 전원 공급회로가 필요없이 보행에 따른 압력의 변화를 전압 출력으로 나타냄으로써 보행 감지 장치에 쉽게 적용할 수 있다.
이번 연구에서는 이중층 나노섬유 구조의 마찰전기 나노발전기를 설계와 제작했다. 전하 생성층인 MXene/P(VDF-TrFE)는 MXene의 높은 전기 음성도와 강한 전자 친화력 때문에 풍부한 표면 전하를 나타낸다.
전하 트래핑층의 충전제인 실록신은 미세한 쌍극자 형성으로 인해 층의 유전율 특성을 향상시키는 반면, 코발트 나노다공성 탄소의 더 큰 다공성을 가진 넓은 표면적은 전하 저장을 위한 더 많은 활성 사이트를 제공한다.
전하 포획층이 없으면 전자는 전극의 양전하와 결합해 상쇄된다. 전하 트래핑층은 전자가 전극으로 확산되는 것을 방지하고, 전하 감소율을 줄여 표면 전하밀도와 TENG의 전체 출력 성능을 크게 증가시킨다. 따라서, 제작된 이중층 나노섬유기반 나노발전기의 전류밀도와 표면 전위는 단일층 나노섬유 보다 2배 더 높았다.
전기방사 기술로 제작된 나노섬유는 두께가 일정하고, 더 큰 압축성을 가진 계층적 다공성 구조를 가지기 때문에 우수한 특성의 나노발전기 기반 압력센서를 제작하는데 유용하다.
또한 우수한 안정성과 압축성을 가지는 마찰전기 나노발전기 기반 압력센서는 딥 러닝 기술을 접목해 신발 깔창 기반 사용자 활동 인식 및 사용자 식별시스템으로 성공적으로 시연됐다.
이번 연구 결과는 세계 최고의 에너지 소재와 소자 전문 저널인 엘시비어 출판의 나노에너지에 논문이 게재됐다.
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