나노볼트

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 하이드로젤 3D 패턴 프린팅을 통한 수분기반 나노발전기의 출력 성능 향상

영문 : Improving the performance of Hydroelectric nanogenerators by designing 3D-printing based hydrogel structure

과제 팀명

나노볼트

지도교수

윤진환 교수님

개발기간

2025년 9월 ~ 2025년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 화학공학부·과 20223400** 강*이(팀장)

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

◇ Hydroelectric nanogenerators(HENGs)란 물의 흐름이나 증발, 이온 이동과 같은 수분 기반 현상을 이용해 전기를 발생시키는 소자를 의미한다.

◇ 본 연구는 HENGs의 소형화 및 고효율화를 이루기 위해 Direct ink writing (DIW)를 이용한 3D-printing을 진행한다.

◇ Pluronic F-127을 이용한 용액 점도 조절을 통해 3D-printing이 가능한 프리젤 잉크를 제작한다.

◇ 제작한 UV-curable 잉크로 접촉 면적이 극대화 된 HENGs 내부 젤을 제작하고, 성능을 확인 및 분석한다.

개발 과제의 배경

◇ 소형 IoT 디바이스를 위한 자가발전형 센서

최근 웨어러블 전자기기, 의료용 바이오 센서, 식물 생장 조명 등 소형 IoT 디바이스의 급격한 확산으로 외부 전원 없이도 지속적이고 친환경적인 방식으로 전력을 공급할 수 있는 소형 에너지 하베스팅 기술의 필요성이 증가하고 있다. 특히 식물 생장 조명 및 스마트팜 산업에서는 장기간 독립적으로 작동하는 초전력 센서가 필수적이며, 인체 부착형 웨어러블 기기 또한 외부 배터리 교체가 어려워 자가발전형 소형 전력원이 핵심 기술로 꼽힌다.

◇ 기존 HENGs의 한계

지금까지 연구된 대부분의 HENGs는 전극 및 젤 구조의 부피가 크고 평판 구조에 의존해, 발전 성능 대비 크기가 커 실용화에 한계가 존재했다. 특히 기존 HENGs는 수분 흡수와 이온 이동 경로가 넓은 평평한 구조를 사용하기 때문에 발전량을 늘리기 위해서는 소자 전체 면적을 확장해야 했다. 이로 인해 소형화가 어렵고, 다양한 기하학적 구조를 적용하기 제한적이었다.

◇ Direct Ink Writing(DIW) 기술

Direct Ink Writing(DIW)는 점도가 높은 젤 소재를 노즐 기반으로 직접 적층할 수 있어, 미세하게 설계된 구조를 구현할 수 있다. 다만 DIW용 젤 잉크는 점도 등 유동학적 물성 제어가 필수적이며, 일반적인 하이드로젤 용액은 점도가 낮아 안정적인 3D 적층이 어렵다. F-127과 n-octyl acrylate(C8)의 상호작용으로 점도가 조절된 프리젤 잉크로 3D-printing을 진행한다면 디바이스의 크기를 소형화하고 성능은 최대로 올려 작지만 활용 가능한 소자를 개발 가능하다.

◇ F-127/고분자/C8 구조

Triblock copolymer micelle 구조를 가진 Pluronic F-127는 온도 감응성을 지녀 프리젤의 점도를 증가시킬 수 있는 물질이다. 이것은 소수성 및 전하를 띈 단량체로 미세 modulus 조절이 가능하다. 고분자 네트워크 간의 소수성 및 이온성 상호작용으로 인해 F-127이 첨가된 프리젤 용액은 점도 조절이 되어 DIW를 통한 3D-printing이 가능해진다.

개발 과제의 목표 및 내용

◇ UV 경화 가능한 점도 높은 프리젤 잉크 개발

- Pluronic F-127은 특정 온도 구간에서 micelle network가 정교해져 점도 증가 및 탄성 향상을 유도한다.

- C8 단량체는 소수성을 띈 구조로 F-127 내부 미세 modulus 구조를 파고들어 물리적 특성 향상에 기여한다.

- Pluronic F-127의 온도 감응성 특성과 n-octyl acrylate (C8)과의 소수성 단량체 특성을 이용하여 DIW에 적합한 점도 높은 하이드로젤 잉크를 제작한다.

- 두 물질과 고분자 조합을 통해 흡습력이 다른 두 종류의 하이드로젤 잉크를 설계하여(More Hydrophilic layer & Less Hydrophilic layer), 이온 농도가 명확히 대비되는 양층 구조를 가진 디바이스 설계가 가능해진다.

◇ 3D-printing을 통한 두 젤 사이 접촉 면적 향상 구조 구현

- 직접 제작한 설계도를 가지고 3D-printing을 해 정교하고 두 젤 사이 접촉 면적을 최대화할 수 있는 구조를 미세하게 구현한다.

- 기존 디바이스 대비 훨씬 소형화된 젤을 제작한다.

- 수평/수직/곡선형 3D 적층 경로를 프로그램을 통해 설정한다.

◇ 접촉 면적 향상에 따른 성능 향상 목표

- 기존 평판형 HENGs 대비 전류 2배 이상 증가를 목표로 한다.

- 구조에 따른 전류 증가로 면적에 비례하는 선형에 가까운 그래프가 나오는지 검증한다.

- 프린팅 구조 최적화에 따른 이온 농도 구배 강화 메커니즘을 규명한다.

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

• 전 세계적인 기술현황

◇ 윤진환 교수님 연구실의 Imani, K. B. C.(2024) 논문에서는 Pluronic F-127(F-127)과 n-octyl acrylate(C8)을 특정 비율로 혼합해 3D-printing이 가능한 점도까지 하이드로젤 용액의 물성을 변화시키는 연구를 진행하였다. 해당 연구에서는 용액, F-127, C8을 각각 70:17:13의 비율로 혼합하여 고점도 젤 잉크를 제조하였으며, 이 잉크는 20–40°C 구간에서 점도가 급격히 상승하는 온도감응성 특성을 나타냈다. 이러한 특성을 활용하여 안정적인 프린팅이 가능함을 확인하였고, 특히 프린팅된 젤의 형태가 위쪽이 무거운 형태임에도 구조적 변형 없이 균형을 유지하는 결과를 보였다. 이 연구는 하이드로젤의 유변학적 특성을 정밀하게 제어함으로써, 복잡한 3차원 구조의 구현과 정밀 프린팅 안정성 확보가 가능함을 증명했다는 점에서 의의가 크다.

◇ Zhoujun Huang(2024) 논문에서는 수분을 흡착하면 스스로 전기를 생산하는 “moist-electric generator (MEG)”의 낮은 전류 문제를 개선하기 위해, sodium alginate/SiO₂ nanofiber/rGO 복합 필름(SSG)에 CaCl2를 도입해 수분흡착능력과 이온전도도를 동시에 향상시킨 고성능 전기 발전 필름을 개발했다. 이 필름은 80% RH, 30°C 조건에서 1.6 g/g의 높은 수분 흡수력을 보이고, 4*4cm 디바이스 기준으로 약 0.6V의 전압 및 약 2.24mA의 전류를 안정적으로 출력한다. 이러한 결과는 저습 조건에서도 유지되는 mA급 전류를 확보하고, 실내 야외 조건 변화에 강한 지속성을 가지는 성능이라는 점에서 현 기술 수준 대비 향상된 결과를 보인다.

◇ Shen, D(2024) 논문은 공기 중 습기 흡수로 존재하던 습도의 한계를 해결하기 위해 음이온을 고정·구속시키는 PGA–CA 이온성 하이드로젤과, 물은 막지만 수증기는 투과시키는 E-PTFE 방수·투습막을 결합해 물속에서도 전력 발생이 가능한 디바이스를 개발했다. 이 디바이스는 물속에서도 0.55V의 전압과 수백나노A의 전류를 수압 환경에서 안정적으로 발생시킨다. 그동안 주로 개발된 HEGs는 공기 중의 수분을 타겟으로 전류를 생산한다. 하지만 이 연구는 실제 바다나 물 속의 환경을 전제로 하고 다양한 염이 존재하는 환경을 포함하기 때문에 더욱 적응력 있는 디바이스를 개발할 수 있었다. 공기 중의 습기가 아닌 다양한 변수가 존재하는 수분 환경에서 전력을 생산할 수 있는 장치를 개발함에 의의가 있다.

• 특허조사 및 특허 전략 분석

◇ 출원번호: AU2023316084A1

Moisture Electric Generating Device

- 폴리머층이 수분저장소 역할을 해 수분을 공급하는 곳이고, carbon/GO 등이 수분에 의해 전하 운반자(주로 H+/H3O+)를 생성해서 층간 흡습도 차이 및 이온 이동으로 내부 전위차가 생겨 직류 출력을 얻는 구조이다. 다시 말해 폴리머+carbon 층을 최소 2개 구성하고 서로 다른 흡습성을 갖도록 설계해서 수분 농도와 활성 이온의 공간적 구배를 유도하는 것이다.

- 한 전극은 다공성 및 습기가 투과하고, 반대 전극은 습기를 차단함으로써 상하부의 수분활동도 차이를 고정시킨다. 또한 흡수한 수분을 저장하는 층->전하를 생성하는 층으로의 이온 순차적 전달로 양성자 농도와 활동도 구배를 만들면서 전위차/전류가 발생하게 된다.

◇ 출원번호: WO2023205859A1

Moisture Electric Generator

- 본 발명은 수분 노출 시 전하 운반자(H/H3O+)를 생성해 디바이스 양단에 전위차를 만들고, 전하를 장치 내에 저장할 수 있도록 구성된 이중기능 전자소자이다. 방전 후에는 외부 전기장 인가만으로 재생해 다시 전위차/이온 구배를 복원하도록 설계되었다.

- 두 개의 면 중에서 한 면만 수분에 노출되고, 기능층에서 양이온이 생성 및 축적되어 농도구배 확산으로 전위차가 생성된다. 방전시 외부 회로로 전자가 이동하고, 전기장 인가로 저장된 양이온을 반대 방향으로 밀어 재생시킨다. 이를 통해 전위차가 복구되며 반복적 운영이 가능하다.

- GO,CNT 등의 카본계 기능층/전극과 비대칭 습기 접근 구조가 이 특허의 핵심 구현 예시이다.

◇ 출원번호: EP1982696B1

Gel for treating wounds

- Pluronic F-127을 16-20wt% 범위로 사용하면 저온에서 유동성을 보이나 18-25°C에서 급격한 점도 상승을 유도해 젤 점도를 크게 높일 수 있음을 보여주는 특허이다. F-127에 글리세롤(10wt%) 등을 넣고, 경우에 따라 Poloxamer 188/388을 함께 조절하여 점도를 추가로 끌어올릴 수 있음을 보인다.

• 기술 로드맵

내용

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

내용

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

내용

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

내용

구성원 및 추진체계

내용

설계

설계사양

제품의 요구사항

내용

설계 사양

내용

개념설계안

내용

이론적 계산 및 시뮬레이션

내용

상세설계 내용

내용

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

내용

포스터

내용

관련사업비 내역서

내용

완료작품의 평가

내용

향후계획

내용

특허 출원 내용

내용