스프레이 뿌려 자가발전 섬유 제조…화학연·한기대, 단일 공정 기술 개발

연구진이 스프레이 분사 공정으로만든 마찰전기 발전섬유를 보여주고 있다.  (사진=한국화학연구원 제공)

고전압 장비 없이 스프레이 분사만으로 마찰전기 기반의 자가발전 섬유를 간단하게 만드는 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다. 기존의 복잡한 섬유 제조 공정을 대폭 줄여 대면적 자가발전 센서와 웨어러블 소자 상용화에 한 걸음 다가섰다.

한국화학연구원(원장 신석민) 손은호·김주현 박사 연구팀과 한국기술교육대학교 배진우 교수 공동 연구팀은 서로 다른 고분자를 혼합해 스프레이로 분사하는 1단계의 단순한 공정으로 고성능 자가발전 섬유를 구현하는 데 성공했다고 밝혔다.

마찰전기 나노발전기(TENG)의 발전량을 높이려면 전기가 쉽게 누출되지 않는 섬유 구조가 필요하다. 기존에는 고전압 전기장으로 가는 섬유를 뽑아낸 뒤 전기 누축 방지 소재를 추가로 코팅해야 해 제조 과정이 까다롭고 대면적 제작에 어려움이 있었다.

연구팀은 전자를 잘 끌어당기는 불소계 고분자 P(VDF-TrFE)와 전기를 잘 붙잡는 실리콘계 고분자 PDMS를 혼합 분사하는 방식을 택했다. 분사 시 발생하는 분사력으로 고분자 사슬을 정렬시켜 전하 생성에 유리한 구조를 만들고, 마르는 과정에서 두 고분자가 스스로 자리를 나누는 '자가층화' 현상을 활용했다. 이를 통해 추가 코팅 없이도 바깥쪽 PDMS가 전기 누설을 차단하는 구조가 자동으로 완성됐다.

성능 평가 결과, 해당 소재는 290볼트(V)의 전압과 7.5마이크로암페어(μA)의 전류를 기록해 소형 센서 작동에 충분한 전력을 나타냈다. 특히, 3만 차례의 반복 작동 후에도 초기 성능을 유지하는 내구성을 입증했다. 연구팀은 이를 응용해 배터리 없이 비밀번호를 인식해 동작하는 스마트 도어락 키패드를 구현하며 인간-기계 인터페이스(HMI) 센서로의 활용성을 확인했다.

대면적 연속 공정 최적화 및 신뢰성 평가를 거쳐 향후 5-7년 내 상용화된 웨어러블 디바이스 및 자가발전 센서망 제품으로 연계될 것으로 예상된다. 이번 연구 성과는 복합재료 분야 국제 학술지 '어드밴스드 컴포지트 앤 하이브리드 머티리얼즈'에 게재됐다.
임병안 기자