누르면 전기 나오는 자가발전 섬유, 스프레이로 어떻게 도어락까지 움직였나

한국화학연구원과 한국기술교육대 공동연구팀이 별도 전원 없이 눌렀다 놓는 동작으로 전기를 만드는 섬유를 스프레이 분사 방식으로 제작했다.

연구팀은 이 소재를 센서 키패드에 적용해 비밀번호를 인식하고 잠금장치를 작동시키는 도어락 상자도 선보였다.

원리는 마찰전기다.

서로 다른 두 물체가 맞닿았다 떨어질 때 생기는 미세한 전기를 모으면 버튼을 누르는 힘 같은 작은 움직임도 전력으로 바꿀 수 있다.

마찰전기 나노발전기는 접촉 면적을 넓히고 전기가 새는 것을 막아야 성능이 좋아진다.

기존에는 고전압 장비로 가는 섬유를 뽑은 뒤 전기 누출을 막는 소재를 덧입혀야 해 제조 과정이 복잡했다.

이번에는 전자를 끌어당기는 성질이 강한 불소계 고분자 P(VDF-TrFE)와 전하를 잘 붙잡는 실리콘계 고분자 PDMS를 섞어 뿌렸다.

마르는 동안 두 고분자는 표면 에너지 특성 차이에 따라 저절로 나뉘어, PDMS가 섬유 바깥쪽에, P(VDF-TrFE)가 안쪽에 상대적으로 많이 자리 잡았다.

바깥층이 전기 누출을 막도록 설계한 별도 코팅 과정 없이 구조가 형성된 셈이다.

스프레이 분사라 공정이 단순하고 넓은 면적으로 만들기에도 유리하다.

성능 평가에서는 전압 290볼트(V), 전류 7.5마이크로암페어(µA), 전력 밀도 제곱미터당 최대 1.23와트(W)를 기록했다.

연구팀은 마찰전기 나노발전기 센서 12개를 키패드로 구성해 손가락으로 누른 입력을 읽고 잠금장치를 작동시켰다.

입력을 감지하는 데 외부 전원이 필요 없는 인간-기계 인터페이스 센서의 가능성을 실제 장치로 확인한 것이다.

연구에는 화학연 손은호·김주현 책임연구원과 한국기술교육대 배진우 교수가 참여했다.

결과는 국제학술지 ‘어드밴스드 컴포지츠 앤 하이브리드 머티리얼즈’에 9월 5일 발표됐다.

연구진은 간단한 스프레이 공정이 대면적 자가발전 센서와 웨어러블 전자소자의 제조를 단순화하는 데 쓰일 수 있다고 밝혔다.