스스로 전력을 공급하며 인간과 상호작용하는 자가동력 전자종이

다양한 연구를 통해 발전하면서 스마트 종이(smart paper)가 가능해지고 있습니다. 저가 인쇄공정을 활용하여 종이 표면에 무선 센서를 개발하려는 프로젝트가 있습니다. 또한 다른 다양한 종류의 디바이스를 구현한 바 있습니다. 배터리, 태양전지, RFID 태그, 트랜지스터 등이 그러한 예입니다. 이번에는 자가동력 전자종이에 대한 연구가 발표되었습니다. 스스로 전력을 공급하며 인간과 상호작용합니다.

그림) (a) 투명 도난방지 시스템, (b) 위조방지 시스템의 개략도.

자가동력의 사용자 인터랙티브(human-interactive) 투명 나노종이 시스템입니다. 학술지 ACS NANO에 "Self-Powered Human-Interactive Transparent Nanopaper Systems"라는 논문으로 발표되었습니다.

스스로 전력 공급, 인간과 상호작용, 자가동력 전자종이

개발된 나노종이 시스템은 정전기 유도 메커니즘과 유전물질을 기반으로 개발되었습니다. 스스로 동력 공급이 가능하므로 외부의 전력 없이 조작이 가능합니다. 일렉트릿 재료(electret material, 반영구적 분극의 유전체)를 사용하여 장시간 잔류 전하를 저장할 수 있는 능력을 가지고 있습니다. 이미 MEMS와 마이크로폰에서 사용되고 있습니다. 하지만 플렉시블 응용을 위해 사용되지는 않았었습니다. 이를 극복하기 위해 최근에 개발된 것이 종이 발전기입니다.

이번에 연구팀이 개발한 종이 기반의 투명 플렉시블 발전기(TPFG: Transparent Paper-Based Flexible Generator)는 두 개의 투명 전극으로 구성되어 있습니다. 탄소나노튜브로 코팅된 두 장의 나노종이를 사용합니다. 한 장은 추가적으로 30µm의 폴리에틸렌 필름에 의해 쌓여 있는 투명하며 불소가 포함되지 않은 일렉트릿입니다. 두 장을 코팅된 방향을 마주보게 접촉시킵니다.

기기의 기본적 작동 메커니즘은 잔류 전하에 의한 정전기 유도 효과입니다. 두 성분 사이 공기층의 변동성이 전류 변화를 만드는데 중요합니다. TPFG가 평형상태에 있으면 어떤 자유전자도 외부 회로로 흐를 수 없습니다. 하지만 수직적인 압력이 TPFG에 가해지면, 공기층이 좁아지면서 더 많은 양전하가 탄소나노튜브 전극 하부에 유발됩니다. 결과적으로 평형상태가 깨지고 전류가 상부의 탄소나노튜브 전극에서 하부 CNT 전극으로 흐르게 됩니다.

전하는 새로운 평형상태에 도달할 때까지 바닥 전극에 축적됩니다. 평형이 되면 전류 흐름은 멈추게 됩니다. 압력이 해소되면 역방향으로 변화가 생깁니다. 공기층이 다시 증가하고 원래 상태에 도달할 때까지 전류는 반대방향으로 흐르게 됩니다. 이러한 결과를 바탕으로 연구팀은 도난방지와 위조방지 시스템을 개발하였습니다. 도난방지 시스템은 외부 디자인에 변화를 일으키지 않으면서 외부 압력을 민감하게 감지할 수 있습니다. 위조방지 시스템은 정보를 표시하는 투명 전자종이를 사용하여 구현됩니다.