화학연, 스프레이만으로 자가발전 섬유 제조

고전압 장비 없이 스프레이로 제조

3만회 작동에도 성능 유지…센서 활용 기대

한국화학연구원은 손은호·김주현 박사 연구팀이 한국기술교육대학교 배진우 에너지신소재화학공학부 교수팀과 공동으로 자가발전 섬유 제조 기술을 개발했다고 19일 밝혔다. ⓒ한국화학연구원

국내 연구진이 고전압 장비 없이 스프레이로 뿌리는 간단한 공정만으로 마찰전기를 생산하는 섬유를 개발했다.

한국화학연구원은 손은호·김주현 박사 연구팀이 한국기술교육대학교 배진우 에너지신소재화학공학부 교수팀과 공동으로 자가발전 섬유 제조 기술을 개발했다고 19일 밝혔다.

마찰전기는 서로 다른 물체가 접촉했다 떨어질 때 발생하는 전기다. 이를 활용하면 별도의 전원 없이 작동하는 센서 등을 만들 수 있다.

기존에는 발전 효율을 높이기 위해 고전압 장비로 가느다란 고분자 섬유를 뽑은 뒤 전기 누출을 막는 소재를 추가로 입혀야 했다. 제조 과정이 복잡하고 넓은 면적으로 생산하기도 어려웠다.

연구팀은 전자를 끌어당기는 불소계 고분자와 전기를 잘 붙잡는 실리콘계 고분자를 혼합해 스프레이로 분사하는 방식을 개발했다.

분사 과정에서 고분자 구조가 정렬되고, 건조 과정에서는 두 물질이 스스로 분리돼 전기 누출을 막는 층을 형성한다. 별도의 고전압 장비나 추가 코팅 없이 한 번의 공정으로 섬유를 제조할 수 있는 것이다.

성능 시험에서는 290V의 전압과 7.5마이크로암페어(µA)의 전류, 최대 1.23W/㎡의 전력밀도를 기록했다. 3만회 반복 작동 후에도 초기 출력 성능을 유지하며 내구성을 입증했다.

연구팀은 개발한 소재로 12개 센서가 연결된 키패드를 제작해 비밀번호 입력으로 잠금장치를 작동시키는 데도 성공했다. 향후 별도의 전원이 필요 없는 스마트 센서와 착용형 전자기기 등에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

이번 연구에는 과학기술연합대학원대학교(UST) 박채린 석사과정생과 한국기술교육대학교 우인선 박사과정생이 공동 제1저자로 참여했다. 연구 결과는 국제학술지 '어드밴스드 컴포지츠 앤드 하이브리드 머티리얼즈(Advanced Composites and Hybrid Materials)'에 지난 9월 게재됐다.

배 교수는 "앞으로 대면적 자가발전 센서와 웨어러블 전자소자 제조 공정을 단순화하는 데 활용될 것으로 기대한다"고 말했다.