누르면 전기 발생하는 자가발전 섬유 개발, 스프레이 공정은 무엇을 바꿨나

한국화학연구원과 한국기술교육대 공동연구팀이 전원을 연결하지 않아도 누르는 힘으로 전기를 만드는 섬유를 개발했다.

서로 다른 고분자를 섞어 스프레이로 뿌리는 방식으로, 기존보다 제조 공정을 단순화하고 넓은 면적에 만들기 쉽게 한 것이 핵심이다.

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

이 섬유는 두 물체가 닿았다 떨어질 때 생기는 마찰전기를 이용한다.

버튼을 누르는 힘이나 빗방울이 땅에 닿는 힘처럼 일상에서 발생하는 작은 기계적 에너지를 전기로 바꾸는 마찰전기 나노발전기(TENG)의 원리다.

발전량을 높이려면 접촉 면적을 넓히고 전기가 새는 것을 막아야 하는데, 기존에는 고전압 장비로 가는 섬유를 뽑은 뒤 누설 방지 소재를 따로 코팅하는 등 과정이 복잡했다.

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

마르는 동안 두 소재는 표면 에너지 차이로 저절로 분리돼, PDMS는 바깥쪽에, P(VDF-TrFE)는 안쪽에 상대적으로 많이 모였다.

그 결과 바깥층이 전기 누설을 막는 구조가 형성돼 별도의 코팅 단계를 줄일 수 있었다.

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

연구팀은 센서 12개를 키패드로 배열한 스마트 도어락 상자도 제작했다.

버튼을 누르면 내부의 두 소재가 접촉해 전기가 발생하고, 이를 이용해 비밀번호를 인식한 뒤 잠금장치를 작동시킨다.

이 시연은 섬유가 에너지 수확뿐 아니라 별도 전원이 필요 없는 입력 센서에도 쓰일 수 있음을 보여준다.

연구에는 화학연구원 손은호·김주현 책임연구원과 배진우 한국기술교육대 교수가 참여했다.