스프레이 코팅만으로 자가발전 섬유 제작해 센서로 활용

[이데일리 강민구 기자] 국내 연구진이 기존 복잡한 섬유 제조 공정을 단순화해 마찰전기를 활용한 스마트 센서와 웨어러블 전자소자 제조 공정에 활용할 가능성을 제시했다.

한국화학연구원 손은호·김주현 박사 연구팀과 배진우 한국기술교육대 교수 공동 연구팀이 서로 다른 고분자를 혼합해 고전압 장비 없이 스프레이 코팅만으로 자가발전 섬유를 만들었다.

(왼쪽 상단부터시계방향으로)우인선 한기대 박사과정생, 배진우 한기대 교수, 김주현 화학연 책임연구원, 손은호 화학연 책임연구원, 박채린 UST 석사과정생.(사진=한국화학연구원)

서로 다른 두 물체가 접촉 후 떨어지면 정전기처럼 미세전기가 발생한다. 이를 활용한 ‘마찰전기 나노발전기’의 발전량을 높이려면 두 물체가 닿는 면적을 넓히고, 전기가 쉽게 누출되지 않도록 해야 한다.

이를 위해 매우 가는 고분자 섬유 형태로 제조하는 방식이 있다. 하지만 고전압 장비로 섬유를 뽑은 후 전기 누출 방지 소재를 추가로 코팅하는 등 제조 과정이 복잡하고 대면적 제조에도 어려움이 있었다.

연구팀은 전자를 끌어당기는 성질이 강한 불소계 고분자 P(VDF-TrFE)와 만들어진 전기를 잘 붙잡는 실리콘계 고분자 PDMS를 혼합한 뒤 스프레이로 분사하는 1단계의 단순한 공정을 개발했다.

P(VDF-TrFE)는 전하 생성에 유리한 베타(β)상 구조가 많을수록 마찰전기 성능을 높이는 데 유리하다. 기존에는 고전압 전기장으로 고분자 사슬을 정렬해 전하 생성에 유리한 구조를 만들었다면, 이번에는 스프레이 분사의 힘으로 고분자 사슬을 늘리고 정렬시켰다. 이어 용매가 빠르게 증발하면서 정렬된 구조가 굳어 전하 생성에 유리한 β상 형성을 촉진했다.

두 고분자는 스프레이로 뿌린 뒤 마르는 과정에서 표면에너지 특성 차이로 인해 스스로 자리를 나눈다. PDMS는 섬유 바깥쪽으로, P는 안쪽으로 상대적으로 많이 모이면서, 별도의 추가 코팅 과정 없이 바깥쪽 PDMS가 전기 누설을 막는 구조가 자연스럽게 만들어진다.

성능 평가 결과, 소형 전자기기 센서에 활용할 수 있는 수준인 290볼트(V)의 전압과 7.5마이크로암페어(µA)의 전류, 최대 1.23와트퍼제곱미터(W/㎡)의 전력밀도를 기록했다. 3만 회의 접촉·분리 작동 후 초기 수준의 출력 성능을 유지해 내구성도 확인했다.

연구팀은 이 소재를 활용해 비밀번호를 인식해 잠금장치를 작동시키는 스마트 도어락 상자도 만들었다.

배진우 한기대 교수는 “간단한 스프레이 공정만으로 섬유 구조를 형성하는 동시에, 서로 다른 고분자가 각자의 기능에 맞는 위치에 자발적으로 배열되도록 했다”며 “앞으로 대면적 자가발전 센서와 웨어러블 전자소자 제조 공정을 단순화하는 데 활용될 것으로 기대한다”고 전했다.

신석민 화학연 원장은 “국내에 연구기관이 드문 불소 소재 분야에서 화학연이 쌓아온 역량이 다양한 분야에 활용될 수 있음을 보여준 사례”라고 말했다.

연구 결과는 복합재료 분야 국제 학술지 ‘Advanced Composites and Hybrid Materials’에 지난 달 게재됐다.