전자공학과 김대원 교수 연구팀이 에너지 하베스팅과 스마트 헬스케어 분야에서 두 편의 연구 성과를 연이어 도출했다. 김재강 학생(석사 4기)과 조현우 박사가 각각 제1저자로 참여한 두 논문은 소재 분야 세계적 권위지인 『Advanced Functional Materials』(IF 19.0, JCR 상위 5%) 최신 호에 나란히 게재됐다. 김대원 교수는 “에너지 하베스팅은 미래 유망 기술인 만큼 실증에 그치지 않고 실제 상용화까지 이어가는 것이 목표”라며 “이를 위해 연구원 한 사람이 하나의 프로젝트를 독립적으로 완수할 수 있도록 지도하며, 책임감을 갖춘 인재를 양성하는 데 중점을 두고 연구실을 운영하고 있다”고 밝혔다.

물방울 충격을 전기로, 오래 그리고 안정적으로

김재강 학생이 주도한 연구는 마찰전기 기반 발전기(DEG)와 자기탄성 발전기(MEG)를 결합한 하이브리드 발전 소자(DTMG)를 개발한 성과다. 물방울 기반 발전기는 낙하 순간에만 전기가 발생하고 수변 환경에서 전극이 쉽게 부식되는 한계가 있었다. 연구팀은 레이저로 가공한 불소화 그래핀(FLIG)을 전극 소재로 사용해 부식 문제를 해결하고, 외팔보(Cantilever, 한쪽 끝이 고정되고, 다른 쪽 끝은 자유로운 상태의 보)에서 착안한 탄성 지지체(ELS) 구조를 도입해 물방울의 충격만으로도 장시간 전기를 생산했다. 특히 기존 연구가 물방울의 이온 에너지 수확에만 집중했던 것과 달리 이온 에너지와 낙하 에너지를 동시에 활용해 발전 효율을 극대화했다.

설계부터 제작까지 그 과정은 만만치 않았다. 김재강 학생은 “레이저 공정으로 그래핀을 만들고 폴리머 기판에 전사하는 과정이 특히 까다로웠다. 조건을 최적화하는 데 상당한 시간이 걸렸지만 하나씩 변수를 좁혀가며 원하는 결과를 얻었을 때의 보람이 컸다”고 말했다.

개발한 소자는 에너지를 만드는 동시에 센서로도 작동된다. 물방울 낙하 높이와 이온 농도를 외부 전원 없이 동시에 감지하는 자가구동 센서 기능을 갖춰, 단순한 발전 소자를 넘어 수환경 모니터링 플랫폼으로 확장이 가능하다. 커패시터 충전과 소형 전자기기 구동 실험을 통해 실용 가능성도 확인됐다.

김대원 교수는 “물방울의 움직임을 이용해 전기를 만들 수 있다면 그 응용 가능성은 무궁무진하다. 아직 작은 에너지지만 이를 쓸 만한 수준으로 끌어올려 상용화하는 것이 후속 연구가 나아갈 방향”이라고 설명했다. 학부연구생으로 연구실에 합류한 김재강 학생은 “지도교수님이신 김대원 교수님의 수업을 듣고 연구에 흥미를 느껴 대학원에 진학하게 됐다. 연구 주제인 물은 오래전부터 에너지 연구의 대상이었지만 아직 개척할 영역이 많아 매력적이었다. 작더라도 쓸 만한 에너지를 안정적으로 수확할 수 있다면 기존보다 더 나은 연구를 수행할 수 있어 선택하게 됐다”고 말했다.

심장의 미세한 움직임까지 전력으로 활용

조현우 박사는 심장 박동의 미세한 움직임을 마찰전기로 변환하는 이식형 자가발전 소자(ACH-TENG)를 개발하고, 이를 AI 기반 실시간 부정맥 모니터링 시스템과 결합했다. 기존 이식형 심장 모니터링 장치는 배터리가 소진되면 재수술이 불가피하다는 근본적인 한계를 내포했다. 연구팀은 아치(Arch)와 외팔보 구조를 융합한 하이브리드 설계로 체내의 제한된 공간에서도 기존 대비 최대 2.5배 높은 출력을 달성했으며, 나노스파이크 소재를 적용해 전기 출력 성능을 한층 더 끌어올렸다.

소자의 장기 안정성과 생체적합성은 생리식염수 조건 실험과 돼지 심장을 활용한 생체 실험으로 검증됐다. 바이오 분야 연구는 윤리적 문제와 임상 진입 장벽이 높아 도전하기 쉽지 않은 영역이다. 김대원 교수는 “체내 소자 연구는 기술적 완성도만큼이나 병원과의 소통과 협업이 중요하다. 의료진과의 긴밀한 협력과 덕분에 전임상 동물 실제 생체 실험까지 진행할 수 있었다”고 말했다. 조현우 박사도 “기술이 있어도 임상 검증 환경을 구하지 못하면 의미가 없다. 병원과의 협업이 이 연구의 결정적인 분기점”이라고 덧붙였다.

연구팀은 무선 통신 기반 실시간 모니터링 시스템과 AI 분석 알고리즘을 결합해 심박 변동성을 자동 분류하고 부정맥 상태를 즉시 알리는 플랫폼까지 구현했다. 배터리 없이 몸 안에서 스스로 작동하는 스마트 의료 플랫폼의 가능성을 입증했다.

조현우 박사는 “학생의 주도성을 존중해 주는 연구실 분위기 덕분에 아이디어가 떠오르면 바로 시도해 볼 수 있는 든든한 연구실 환경이 있었기에 가능했던 성과”고 소감을 전했다. 두 연구는 4단계 BK21 사업과 한국연구재단 우수신진연구사업의 지원을 받아 수행됐다.