김상우 교수님 연구실
신소재공학과 김상우
김상우 교수님이 이끄는 에너지 하베스팅 연구실(EHL)은 마찰전기 및 압전 나노발전기, 2차원 나노소재, 자가발전 기반 바이오·의료 응용 등 첨단 신소재 및 에너지 변환 기술을 선도적으로 연구하고 있습니다. 본 연구실은 환경에서 발생하는 미세한 기계적 에너지를 전기에너지로 변환하는 마찰전기 나노발전기(TENG)와 압전 나노발전기(PENG)의 원리, 소재, 구조 설계, 그리고 실제 응용 시스템 개발에 이르기까지 전 주기를 아우르는 연구를 수행합니다.
특히, 그래핀, MoS2, h-BN 등 2차원 나노소재의 대면적 합성 및 고품질 성장 기술을 바탕으로, 에너지 하베스팅 소자의 성능을 극대화하고 내구성, 유연성, 바이오적합성을 동시에 확보하는 데 주력하고 있습니다. 이러한 2차원 소재는 차세대 웨어러블 전자기기, MEMS 마이크로폰, 신경자극기 등 다양한 소자에 적용되어, 기존 소재의 한계를 뛰어넘는 혁신적인 성능을 구현하고 있습니다.
본 연구실은 자가발전 기반의 바이오·의료 응용에도 집중하고 있습니다. 초음파 구동 마찰전기 나노발전기를 이용한 인체 삽입형 의료기기, 신경 자극기, 상처 치료용 패치 등은 외부 전력 공급 없이 안전하고 지속적으로 동작할 수 있어, 환자의 삶의 질을 크게 향상시킬 수 있습니다. 또한, 마찰전기 및 압전 기술을 활용한 병원체 제어, 미생물 살균, 바이러스 차단 등 공중보건 분야의 응용 연구도 활발히 진행되고 있습니다.
이와 더불어, 본 연구실은 에너지 하베스팅 기술과 3세대 배터리, 에너지 저장 시스템, 환경 센서, 스마트 섬유 등 다양한 융합 연구를 통해 미래형 스마트 사회 구현에 기여하고 있습니다. 다수의 국제 특허, 논문, 산학협력, 국제 공동연구를 통해 세계적인 연구 경쟁력을 확보하고 있으며, 차세대 에너지·바이오 융합 신소재 분야의 글로벌 리더로 자리매김하고 있습니다.
이러한 연구 성과는 국내외 주요 학술상, 정부 포상, 산업계와의 협력 등으로도 인정받고 있으며, 미래 에너지·의료·환경 분야의 혁신을 이끌어가는 핵심 연구실로 성장하고 있습니다.
Triboelectric Nanogenerators
Electrocatalysis
Piezoelectric Materials
마찰전기 및 압전 나노발전기 기술
마찰전기 및 압전 나노발전기는 환경에서 발생하는 미세한 기계적 에너지를 전기에너지로 변환하는 첨단 에너지 하베스팅 기술입니다. 본 연구실에서는 마찰전기 나노발전기(TENG)와 압전 나노발전기(PENG)의 원리와 구조를 심도 있게 연구하며, 다양한 소재와 구조적 설계를 통해 발전 효율을 극대화하는 방법을 모색하고 있습니다. 특히, 마찰전기 효과와 전기유도 현상을 활용하여 외부의 진동, 움직임, 초음파 등 다양한 자극을 전기에너지로 변환하는 기술을 개발하고 있습니다.
이러한 나노발전기는 웨어러블 전자기기, 자가발전 센서, 환경 모니터링, 의료용 임플란트 등 다양한 분야에 적용될 수 있습니다. 예를 들어, 초음파를 이용한 인체 삽입형 마찰전기 나노발전기는 외부에서 초음파를 전달받아 체내에서 전기를 생산함으로써, 배터리 교체가 필요 없는 반영구적 의료기기 구동을 가능하게 합니다. 또한, 2차원 나노소재와의 융합을 통해 발전 효율과 내구성을 크게 향상시키는 연구도 활발히 진행되고 있습니다.
본 연구실은 마찰전기 및 압전 나노발전기의 소재 개발, 구조 설계, 에너지 변환 메커니즘 해석, 그리고 실제 응용 시스템 구현까지 전 주기를 아우르는 연구를 수행합니다. 이를 통해 차세대 자가발전형 전자기기와 의료기기, 환경 센서 등 다양한 미래 산업에 기여하고 있으며, 관련 특허와 논문, 국제 협력 연구를 통해 세계적인 연구 경쟁력을 확보하고 있습니다.
2차원 나노소재의 합성 및 응용
2차원 나노소재는 원자 한 층 두께의 얇은 구조를 가지며, 기존 소재와는 차별화된 전기적, 기계적, 광학적 특성을 보입니다. 본 연구실에서는 그래핀, MoS2, h-BN 등 다양한 2차원 나노소재의 대면적 합성, 고품질 성장, 이종 적층 및 결함 제어 기술을 개발하고 있습니다. 화학기상증착법(CVD)과 같은 첨단 합성 공정을 활용하여, 균일하고 결함이 적은 2차원 소재를 대면적으로 제조하는 연구를 선도하고 있습니다.
이러한 2차원 나노소재는 마찰전기 및 압전 나노발전기의 핵심 소재로 활용되며, 에너지 변환 효율을 극대화하고, 내구성과 유연성을 동시에 확보할 수 있습니다. 또한, 2차원 소재의 전기적 특성을 조절하여 센서, 마이크로폰, 신경자극기 등 다양한 차세대 소자에 적용하는 연구도 활발히 이루어지고 있습니다. 예를 들어, 2D MoS2 기반의 MEMS 마이크로폰은 기존 소재 대비 높은 감도와 내구성을 자랑하며, 초소형·고성능 음향 센서 개발에 중요한 역할을 하고 있습니다.
본 연구실은 2차원 나노소재의 합성뿐만 아니라, 소재의 특성 분석, 결함 제어, 이종 적층 구조 설계, 그리고 실제 소자 응용까지 통합적으로 연구합니다. 이를 통해 차세대 에너지 하베스팅, 바이오메디컬, 환경 센서 등 다양한 분야에서 2차원 나노소재의 혁신적인 응용 가능성을 제시하고 있습니다.
자가발전 기반 바이오·의료 응용 및 병원체 제어
본 연구실은 자가발전 에너지 하베스팅 기술을 기반으로 한 바이오·의료 응용 연구에 집중하고 있습니다. 특히, 인체 삽입형 의료기기, 신경 자극기, 웨어러블 헬스케어 디바이스 등에서 외부 전력 공급 없이 자가발전으로 구동되는 시스템을 개발하고 있습니다. 초음파 구동 마찰전기 나노발전기(US-TENG)는 인체 내부에서 안전하게 전기를 생산하여, 심박 조율기, 신경 자극기, 임시 치료용 임플란트 등 다양한 의료기기에 적용되고 있습니다.
또한, 마찰전기 및 압전 기술을 활용한 병원체 제어 및 미생물 살균 연구도 활발히 진행 중입니다. 마찰전기 에너지로 생성된 전기장을 이용하여 공기, 물, 표면, 인체 내부 등 다양한 환경에서 병원체를 효과적으로 제거하거나 비활성화하는 기술을 개발하고 있습니다. 이는 코로나19와 같은 감염병 대응, 수질 정화, 의료 환경 위생 등 공중보건 분야에서 큰 파급 효과를 기대할 수 있습니다.
이와 함께, 자가발전 기반의 전기 자극을 활용한 상처 치료, 신경 재생, 실시간 생체 신호 모니터링 등 다양한 바이오·의료 융합 연구를 수행하고 있습니다. 이러한 연구는 기존 배터리 기반 의료기기의 한계를 극복하고, 환자의 삶의 질을 높이는 혁신적인 솔루션을 제공합니다.
1
Transcutaneous ultrasound energy harvesting using capacitive triboelectric technology
R. Hinchet, H.-J. Yoon, H. Ryu, M.-K. Kim, E.-K. Choi, D.-S. Kim, S.-W. Kim
Science, 2023.05
2
Triboelectrification induced self-powered microbial disinfection using nanowire-enhanced localized electric field
Z.-Y. Huo, Y.-J. Kim, I.-Y. Suh, D.-M. Lee, J. H. Lee, Y. Du, S. Wang, H.-J. Yoon, S.-W. Kim
Nature Communications, 2023.05
3
riven Bioadhesive Triboelectric Nanogenerator for Instant Wound Sealing and Electrically Accelerated Healing in Emergencies ”
X. Meng, X. Xiao, S. Jeon, D. Kim, B.-J. Park, Y.-J. Kim, N. Rubab, S. M. Kim, S.-W. Kim
Advanced Materials, 2023.05
1
신경병증 치료용 초음파 선택적 반응 시한성소재 기반 인체삽입형 마찰정전기 신경자극 플랫폼 개발
2
2D 압전 소재 기반 고성능·고내구성 MEMS 마이크로폰 소자 개발
3
비만 치료를 위한 에너지마이닝 기술 기반 전자약 개발
