국제 학술지 Renewable and Sustainable Energy Reviews(IF=18, JCR 상위 3.1%)논문 게재

고분자 나노복합체 기반 자가발전 바이오헬스 기술의 발전 방향 제시

기계공학과 김익현 교수 공동연구팀이 인체의 움직임에서 발생하는 미세한 기계적 에너지를 전기에너지로 변환하는 고분자 나노복합체 압전 나노발전기(Piezoelectric Nanogenerator, PENG)의 최신 연구 동향과 미래 발전 방향을 종합적으로 제시했다. 이번 연구성과는 지속가능과학기술분야의 국제학술지 Renewable and Sustainable Energy Reviews에 "Advances in polymer nanocomposite PENGs: Materials, fabrication, and biomedical applications" 라는 제목으로 게재됐다. 논문에는 영남대학교 S. Divya 교수가 제1저자 및 교신저자로 참여했으며, 계명대학교 김익현 교수와 영남대학교 오태환 교수, SRM Institute of Science and Technology의 Poongavanam GaneshKumar 교수가 공동 교신저자로 참여했다.

압전 나노발전기는 걷기, 호흡, 심장박동, 근육 수축 등 일상생활이나 인체 활동에서 발생하는 기계적 변형을 전기에너지로 변환하는 소형 에너지 소자다. 별도의 배터리 없이도 전력을 생산할 수 있어 웨어러블 센서, 전자피부, 건강 모니터링 장치 및 체내 삽입형 의료기기의 차세대 전원 기술로 주목받고 있다. 특히 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF)와 그 공중합체는 가볍고 유연하며 가공이 쉬워 인체에 부착하거나 굴곡이 있는 표면에 적용하기에 적합하다. 그러나 세라믹 압전소재와 비교해 자체 압전 성능이 낮고, 불규칙하며 미세한 인체 움직임에서는 전기 출력이 불안정하다는 한계가 있었다. 또한 연구마다 시험 조건과 성능 평가 기준이 달라 소재와 소자의 성능을 객관적으로 비교하기 어렵다는 문제도 지속적으로 제기돼 왔다. 공동연구팀은 이러한 한계를 해결하기 위해 단순히 출력 전압이나 특정 나노필러의 성능을 나열하는 기존의 분석 방식에서 벗어나, 압전 나노발전기의 성능을 결정하는 요소를 분자에서 실제 기기까지 연결하는 ‘계층적 설계 프레임워크’를 제안했다.

연구팀이 제시한 계층적 설계는 분자 수준의 쌍극자 정렬을 시작으로 나노필러와 고분자 사이의 계면 상호작용, 압전성이 높은 결정상 형성, 섬유·기공·결정 구조의 조절, 제조공정, 전극과 소자 구조, 전력관리 회로까지 단계적으로 연계한다. 이를 통해 소재 자체의 압전 특성이 실제 사용 가능한 전기 신호와 안정적인 기기 성능으로 이어지는 과정을 종합적으로 설명했다. PVDF 계열 고분자에서는 분자사슬의 쌍극자가 일정한 방향으로 정렬된 β상이 압전 성능을 결정하는 핵심 구조로 알려져 있다. 연구팀은 나노필러 첨가, 전기적 분극, 기계적 연신 및 전기방사 등의 공정을 통해 β상 형성을 촉진할 수 있지만, β상의 함량을 높이는 것만으로 실제 소자 성능이 반드시 향상되지는 않는다고 분석했다.

이번 연구의 가장 큰 의의는 고분자 나노복합체 압전 나노발전기의 발전 방향을 개별 소재의 최고 출력 경쟁이 아닌 실제 사용 환경과 시스템 통합의 관점에서 제시했다는 점이다. 높은 전압을 발생시키는 소재를 개발하는 데 그치지 않고, 분자구조와 계면, 제조공정, 전극, 회로 및 임상 검증을 하나의 연속적인 설계 과정으로 연결해야 한다는 구체적인 연구 로드맵을 제안했다. 연구팀은 향후 고성능·무연·친환경 압전소재 개발과 함께 롤투롤 전기방사, 대면적 3차원 프린팅 및 연속 코팅 공정이 발전하면 압전 나노발전기의 대량생산 가능성이 높아질 것으로 전망했다. 또한 무선통신과 사물인터넷, 클라우드 기반 건강정보 분석 기술이 접목될 경우 별도의 배터리 없이 지속적으로 작동하는 웨어러블 및 체내 삽입형 맞춤형 헬스케어 시스템으로 확장될 수 있을 것으로 기대했다.

관련논문 링크: https://doi.org/10.1016/j.rser.2026.117238