김상재 교수

웨어러블 기기와 자가구동 센서를 구현하기 위해서는 별도의 배터리 없이 스스로 전력을 생산하는 에너지 수확 기술이 요구됩니다. 마찰전기(TENG)와 압전(PENG) 원리를 결합하여 MXene과 PVDF 복합소재 기반의 TENG-PENG 하이브리드 발전 소자를 개발했습니다. 이 소자는 두 가지 서로 다른 발전 메커니즘을 하나의 구조에 통합함으로써 기계적 움직임으로부터 전기 에너지를 효율적으로 변환하며, 여기에 AI 기반 동작 인식 알고리즘을 연계하여 사용자의 제스처와 동작 패턴을 실시간으로 판별하는 기능까지 구현했습니다. 개발된 하이브리드 발전 소자는 자가구동 센서를 비롯해 에어마우스 및 터치패드와 같은 인간-기계 인터페이스, 지진 감지용 스마트 센서 등 여러 응용 분야에 적용되고 있습니다. 시제품 수준의 검증을 마친 TRL 5 단계에서 885V의 고전압 출력을 확보했으며, AI 연계 동작 인식률 90.67%를 달성하여 실제 환경에서의 적용 가능성을 입증했습니다.

웨어러블 전자기기가 별도의 충전 없이 지속적으로 작동하기 위해서는 에너지 하베스팅 소자와 에너지 저장 소자를 하나의 시스템으로 일체화하는 기술이 필요합니다. 나노발전기와 슈퍼커패시터를 통합한 자가충전 셀(Self-Charging Cell) 구조를 개발했으며, MXene 기반의 초소형 배터리 및 슈퍼커패시터 소재를 적용해 에너지 수확과 저장을 동시에 수행하는 시스템을 구현했습니다. 이 통합 셀은 별도의 정류 회로나 외부 전원 없이 발전 소자에서 생성된 전기 에너지를 즉시 저장할 수 있도록 설계되어 웨어러블 전자기기의 자체 전원 및 유연 자가충전 전력소자로 활용되고 있습니다. 시스템 실증 단계인 TRL 5-6 수준까지 개발이 진행되었으며, MXene 기반 소재와 관련해 30건 이상의 특허를 확보하여 원천 기술로서의 경쟁력을 갖추고 있습니다.

청정에너지로의 전환을 위해서는 백금과 같은 고가의 귀금속 촉매를 대체할 수 있는 비귀금속 기반 수전해 그린수소 생산 기술이 요구됩니다. Fe-N4 구조 및 전이금속 기반 전기촉매 소재를 개발하여 산소환원반응(ORR), 산소발생반응(OER), 수소발생반응(HER)에 적용했으며, 이를 기반으로 별도의 담수화 공정 없이 바닷물을 직접 전기분해하는 직접 해수 수전해 기술을 구현했습니다. 이 기술은 해수를 활용한 그린수소 생산은 물론 그린수소 기반 모빌리티 및 마이크로모빌리티 플랫폼에도 적용되고 있습니다. 그린수소 글로컬 선도연구센터(RLRC)를 중심으로 국내외 산학연 협력을 추진하고 있으며, 포르투갈 HyLab, 스페인 카탈루냐공대(CER-H2), 중국 칭화대, 호주 퀸즐랜드대 등과 글로벌 파트너십을 구축해 공동연구를 수행하고 있습니다. 연구실 수준의 실증을 완료한 TRL 5 이상 단계에서 500시간 이상의 연속 운전 안정성을 확보했으며, 145억 원 규모의 RLRC 사업을 총괄하는 한편 해수전해 시스템 관련 특허(10-2025-0059616)를 등록하는 성과를 거두었습니다.