단 한 번 스프레이 공정으로 '섬유 형성'과 '코팅' 두 가지 과정을 동시에 구현하는 기술이 개발됐다. 별도 배터리 없이 손글씨·버튼 입력을 감지하는 스마트 기기 제조 공정에 활용될 것으로 기대된다.
한국화학연구원(원장 신석민)은 손은호(UST 교수)·김주현 박사팀이 배진우 한국기술교육대 에너지신소재화학공학부 교수팀과 서로 다른 고분자를 혼합해 고전압 장비 없이 스프레이 코팅만으로 자가발전 섬유를 만들었다고 19일 밝혔다.
'마찰전기 나노발전기(TENG)' 발전량을 높이려면 물체 접촉 면적을 넓히고, 전기 누출을 막아야 한다. 매우 가는 고분자 섬유가 이에 용이한데, 고전압 장비로 섬유를 뽑은 후 전기 누출 방지 소재를 추가 코팅하는 등 제조 과정이 복잡하고 대면적 제조도 어려웠다.
연구팀은 전자를 끌어당기는 성질이 강한 불소계 고분자 P(VDF-TrFE), 전기를 잘 붙잡는 실리콘계 고분자 PDMS를 혼합해 스프레이로 분사하는 1단계 공정을 개발했다.
성능 평가 결과 290볼트(V) 전압과 7.5마이크로암페어(㎂) 전류, 최대 1.23와트퍼제곱미터(W/㎡) 전력밀도를 기록했다. 이는 소형 전자기기 센서에 활용할 수 있는 수준이다. 또 3만회 접촉·분리 작동 후 초기 수준 출력 성능을 유지하는 내구성도 확인했다.
연구팀은 이 소재를 12개 TENG 센서가 모인 키패드로 활용, 스마트 도어락 상자도 만들었다. 개발 소재가 에너지 하베스터는 물론, 별도 전원이 필요 없는 인터페이스용 센서로도 활용될 수 있음을 확인했다.
배진우 한기대 교수는 “이번 연구는 앞으로 대면적 자가발전 센서와 웨어러블 전자소자 제조 공정을 단순화하는 데 활용될 것으로 기대한다”고 말했다. 신석민 화학연 원장은 “국내에 연구기관이 드문 불소 소재 분야에서 화학연이 쌓아온 역량이 다양한 분야에 활용될 수 있음을 보여준 좋은 사례”라고 말했다.
이번 성과는 '어드밴스드 컴포지트 앤드 하이브리드 머티리얼스'에 지난달 게재됐다. 손은호·김주현 화학연 박사와 배진우 한기대 교수가 공동 교신저자로, 박채린 UST 석사과정생과 우인선 한기대 박사과정생이 공동 1저자로 참여했다.
김영준 기자 kyj85@etnews.com
