누르면 전기가 생기는 자가발전 섬유 개발, 스프레이 공정은 무엇을 바꿨나

버튼을 누르는 힘으로 전기를 만드는 자가발전 섬유를 스프레이 분사로 제작하는 기술이 개발됐다.

한국화학연구원 손은호·김주현 책임연구원과 한국기술교육대 배진우 교수 공동연구팀은 서로 다른 고분자를 섞어 코팅하는 방식으로 섬유 구조를 만들었다고 19일 밝혔다.

원리는 마찰전기다.

서로 다른 두 물체가 맞닿았다 떨어질 때 생기는 미세한 전기를 이용하는 마찰전기 나노발전기(TENG)는 버튼을 누르는 힘이나 빗방울이 땅에 닿는 힘 등 일상에서 발생하는 기계적 에너지를 전기로 바꾼다.

발전량을 높이려면 두 물체가 닿는 면적을 넓히고 전기가 새는 것을 막아야 하므로 소재를 가느다란 섬유 형태로 만든다.

기존에는 고전압 장비로 섬유를 뽑은 뒤 전기 누설을 막는 소재를 다시 코팅해야 해 제조 과정이 복잡했다.

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

혼합물은 마르는 동안 표면 에너지 특성 차이로 나뉘어 PDMS가 섬유 바깥쪽에, P(VDF-TrFE)가 안쪽에 상대적으로 많이 모였다.

바깥쪽 PDMS가 전기 누설을 막는 구조가 형성돼 별도의 복잡한 코팅 단계를 줄였고, 공정이 단순해져 대면적 제조에도 유리하다.

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

연구팀은 마찰전기 나노발전기 센서 12개를 키패드로 활용해 비밀번호를 인식하고 잠금장치를 작동시키는 스마트 도어락 상자를 제작해 작동을 시연했다.

손가락으로 버튼을 누르면 내부의 두 소재가 접촉해 전기가 발생하는 방식이다.

이 시연은 개발 소재가 에너지 하베스터뿐 아니라 별도 전원 없이 입력을 감지하는 인간-기계 인터페이스 센서에도 활용될 수 있음을 보여준다.

연구팀은 대면적 자가발전 센서와 웨어러블 전자소자의 제조 공정을 단순화하는 데도 활용될 수 있다고 설명했다.

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