화학硏, 고전압 장비없이 스프레이로 자가발전섬유 개발

섬유 형성·전기 누설 방지 코팅 한 번에 구현

290V 출력·3만회 작동에도 성능 유지 확인

[대전=뉴시스] 화학연구원과 한국기술교육대 연구진이 한번의 스프레이 공정으로 섬유 형성과 코팅을 동시해 구현할 수 있는 자가발전 섬유기술을 개발해 국제학술지에 연구 결과를 발표했다. 참여 연구원들.(사진=화학연구원 제공) *재판매 및 DB 금지

[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 고전압 장비와 복잡한 코팅공정 없이 스프레이를 한번 분사하는 것만으로 전기를 생산하는 섬유 제조기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다.

한국화학연구원은 손은호(UST 교수)·김주현 책임연구원 연구팀과 한국기술교육대 배진우 교수팀이 서로 다른 고분자 소재를 혼합해 스프레이로 분사하는 방식의 자가발전 섬유를 개발했다고 19일 밝혔다.

이 섬유는 두 물체가 접촉했다 떨어질 때 발생하는 마찰전기를 활용해 전력을 생산하며 이런 원리를 이용한 장치가 '마찰전기 나노발전기(TENG)'다. 발전량을 높이려면 두 물체가 닿는 면적을 넓히고 전기가 쉽게 누출되지 않도록 해야 한다.

섬유를 가늘게 뽑기 위해 기존에는 수만 볼트의 고전압을 사용하는 전기방사 공정이 필요했다. 전기가 쉽게 빠져나가지 않도록 별도의 코팅까지 필요해 제조과정이 복잡하고 대면적 생산에도 한계가 있었다.

이번에 연구팀은 전하 생성에 유리한 불소계 고분자 P(VDF-TrFE)와 생성된 전하가 빠져나가는 것을 막는 실리콘계 고분자 PDMS를 혼합해 스프레이로 분사하는 단일 공정을 개발했다. 분사과정에서 고분자 사슬이 늘어나고 정렬된 뒤 용매가 빠르게 증발하면서 전하 생성에 유리한 구조가 형성된다.

또 두 소재는 마르는 과정에서 표면 특성 차이에 따라 자연스럽게 분리된다. 전하 생성에 기여하는 P(VDF-TrFE)는 섬유 안쪽에, 전하가 빠져나가는 것을 막는 PDMS는 바깥쪽에 상대적으로 많이 자리 잡는다.

이처럼 혼합된 소재가 별도 공정 없이 기능에 맞는 위치로 나뉘는 현상을 자가층화라고 한다. 이를 통해 섬유를 만드는 동시에 전하 누설을 줄이는 외부층까지 형성할 수 있게 됐다.

연구팀의 성능 평가에서 개발 섬유는 최대 290V의 전압과 7.5㎂의 전류, 1㎡당 최대 1.23W의 전력밀도를 달성했다. 3만회 접촉·분리 작동 후에도 초기 수준의 출력 성능을 유지해 내구성을 확인했다.

이어 연구팀은 개발 소재를 12개 마찰전기TENG) 센서로 구성된 키패드에 적용해 비밀번호를 인식하고 잠금장치를 작동시키는 스마트 도어락 상자도 구현했다.

별도 배터리 없이 사람의 움직임을 감지하고 기기를 제어할 수 있어 필기 인식 패드와 사물인터넷(IoT) 센서, 웨어러블 전자소자 등으로 활용 범위를 넓힐 수 있을 전망이다.

고전압 장비와 여러 코팅공정을 줄여 제조설비 및 생산 비용을 낮추고 유연성과 내구성을 갖춘 자가발전 소재의 대면적 생산에 기여할 것으로 평가받는 이번 연구 결과는 복합재료 분야 국제학술지 'Advanced Composites and Hybrid Materials'에 지난 9월 게재됐다.

배진우 한기대 교수는 "이번 연구의 핵심은 간단한 스프레이 공정만으로 섬유구조를 형성하고 서로 다른 고분자가 각자의 기능에 맞는 위치에 자발적으로 배열되도록 한 것"이라고 말했규고 신석민 화학연 원장은 "대면적 자가발전 센서와 웨어러블 전자소자 제조공정을 단순화하는 데 활용될 것"이라고 기대했다.


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