“박재영 교수(전자공학과) 연구팀, 숨소리로 건강을 체크하는 무전원 센서 개발”

- 외부 전원 없이도 실시간 호흡 모니터링 가능한 웨어러블 헬스케어 플랫폼 개발 - 

- 친환경 웨어러블 디지털 의료/헬스케어 스마트기기 및 인간-기계 인터페이스로 활용 기대 -- 국제 저명 학술지, 엘시비어 출판의 케미컬 엔지니어링 저널에 논문(IF: 13.3) 게재 -

모교 전자공학과 박재영 교수 연구팀이 세계 최초로 반도체 특성을 지닌 g-C₃N₄(그래픽 카본 나이트라이드)를 폴리우레탄(PU)과 복합화하고 전기방사 기술을 적용하여 높은 양의 마찰전기 나노메쉬(Tribopositive Nanomesh)를 개발하는데 성공했다. 제작된 나노메쉬 복합소재는 마찰전기 발전기(TENG: Triboelectric Nanogenerator) 기반의 무전원 웨어러블 센서 성능을 크게 향상시킬 수 있어서, 실시간 호흡, 인체활동, 생체신호 모니터링 등에 외부 전원 없이도 자체 발전 전력으로 동작하는 웨어러블 스마트 헬스케어 기기에 폭넓게 활용될 전망이다.

건강 모니터링, 재활치료, 스포츠, 환경 및 산업 현장 등 다양한 분야에서 웨어러블 센서에 대한 수요가 크게 증가하고 있다. 그러나 기존의 센서는 주로 별도의 외부 전원이 필요한 저항, 정전용량, 광 기반 기술에 의존하고 있어 휴대성과 반영구적 실시간 모니터링에 한계가 있었다. 이에 대한 대안으로 자체 전력을 생성하는 마찰전기 나노발전기(TENG) 가 주목받고 있으나, 대부분의 TENG는 피부나 옷과의 마찰 시 신호 간섭 문제가 발생하는 “음의 마찰전기” 소재를 사용해 왔다. 이는 특히 호흡 모니터링 같은 피부 접촉이 불가피하고 섬세한 압력 감지가 필요한 분야에서는 큰 제약이었다.

박 교수팀은 이 문제를 해결하기 위해 반도체 특성을 갖는 g-C₃N₄를 폴리우레탄과 복합화 하고 전기방사 기술을 통하여 나노메쉬 구조를 갖는 “양의 마찰전기” 소재를 제작했다. 이 복합소재는 기존 PU보다 유전율이 1.5배, 출력 전압은 1.7배 향상시켰으며, 피부나 옷과의 접촉에도 신호 간섭을 최소화할 수 있었다. 또한, 생체적합성 소재인 에코플렉스(Eco-flex) 필름과의 결합을 통해 상용 마스크에도 적용 가능한 “고유연성, 통기성, 저하중 감응 센서 구조(고막 모사 스프링 구조)” 를 구현했다.

개발된 무전원 압력센서는 0.3~1.7 kPa의 초저압 영역에서 0.515 V/kPa의 고민감도를 보였으며, 인간의 자연스러운 호흡 압력을 쉽게 측정할 수 있었다. 또한, 5 Hz 주파수에서 2.9 W/m²의 출력 밀도를 기록해, 저전력 웨어러블 기기를 직접 구동할 수 있는 수준의 높은 전력을 생성하는 것이 확인됐다. 이를 바탕으로 연구팀은 해당 기술이 외부의 별도 전원 공급 없이도 자체 전원으로 웨어러블 호흡 모니터링, 음성 인식, 피부 부착형 압력 센서 등 다양한 응용 분야에 적용될 수 있음을 실증하였다.

폴리우레탄(PU) 복합소재 기반 고성능 양의 마찰전기 나노메쉬 제작 방법, 물성, 실시간 호흡 모니터링을 위한 자가구동 웨어러블 헬스케어 플랫폼 구조와 동작원리, 주요 성능지표

이번 연구는 기존 마찰전기 소재의 한계를 극복하고, 고출력, 고신뢰성, 고유연성의 무전원 웨어러블 센서 기술 발전에 중요한 이정표를 세웠다. 향후 실용화를 통해, 스마트 마스크, 디지털 헬스케어, 음성 기반 사용자 인터페이스 등에서 핵심 기술로 자리잡을 것으로 기대된다.

이번 연구는 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단 중견연구자 지원사업(RS-2024-00351167) 및 한국산업기술진흥원의 산업기술혁신사업(RS-2022-00154983, 저전력 센서와 구동을 위한 자립형전원 센서 플랫폼 개발) 으로 수행되었고, 연구 결과는 화학공학분야 최고 수준의 세계적 학술지인 엘시비어 (Elsevier) 출판의 케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal, 인용지수: 13.3)'에 게재되었다.

https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.164564

출처 : 광운대학교 최신연구성과 (kw.ac.kr)