KAIST 신소재공학과 홍승범 교수 연구팀
전도성 패브릭과 압전 고분자 필름 결합한
웨어러블 에너지 하베스터 제조 방법 개발


오늘날 웨어러블 소자는 센서, 원동기, 디스플레이, 에너지 하베스팅에 이르기까지 다양한 응용 분야에서 사용되고 있다. 또한 소형에서 내장형으로 빠르게 발전하고 있다. 이에 따라 기존 옷에 내장형으로 사용될 수 있고, 편안하고 내구성 좋은 천에 기반한 웨어러블 소자가 주목받고 있다.

한국과학기술원(KAIST)은 9일, 신소재공학과 홍승범 교수 연구팀이 핫프레싱 공법을 이용해 가격 경쟁력과 내구성이 높은 패브릭 기반 웨어러블 압전 에너지 하베스터 제조 방법을 개발하는 데 성공했다고 밝혔다.

핫프레싱(Hot pressing)은 온도와 압력을 가해 두 물체를 단단히 점착시키는 공법이며, 압전 에너지 하베스팅(Energy harvesting)은 압전체를 이용하여 압력과 진동 같은 에너지를 사용 가능한 전기에너지로 변환하는 기술이다.

기존 패브릭 기반 웨어러블 소자는 복잡한 제조 방법과 설비 시설에 따른 공정 및 가격 측면에서 한계를 가져 아직 실용화 단계에 이르지 못하고 있다. 또한, 소자 내의 패브릭과 실제 구동 파트 사이의 결합력 및 효율 테스트의 부재는 소자의 내구성에도 의문을 갖게 한다.

이러한 문제를 보완하기 위해 간단하고 값싼 공정과 재료, 새로운 기계적 특성 분석 기술 등에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 연구팀은 핫프레싱을 이용해 전도성 폴리에스터 패브릭과 압전 고분자 필름(P(VDF-TrFE))이 결합된 패브릭 기반 웨어러블 압전 에너지 하베스터 제조 방법을 개발했다.

핫프레싱은 배터리나 연료전지 셀 제작에 주로 쓰이는 방법으로, 2~3분 안에 완료될 정도로 빠르고 간단한 동시에 높은 접착력을 얻을 수 있는 공법이다.

결정화 온도 근처 이하에서 고분자 필름을 패브릭에 접착하면, 고분자 필름 표면이 비정질화되면서 접촉면이 넓은 울퉁불퉁한 패브릭 표면에 빽빽이 접착되고, 날실과 씨실 사이로 새어 나와 못과 같은 형태로 되어 높은 계면 결합력을 가질 수 있게 된다.

핫프레싱 공법으로 개발된 웨어러블 소자는 기존 의류에 접착할 수 있는 응용 가능성을 가지고 있어 공정 단가를 낮출 수 있을 것으로 기대된다.

또한, 기존 내구성 테스트 방법인 굽힘(Bending) 테스트와 더불어 새롭게 도입한 ‘표면 및 계면 절단 분석시스템(Surface and Interfacial Cutting Analysis System; SAICAS)’을 이용해 패브릭과 고분자 필름 사이 계면 결착력을 측정함으로써 웨어러블 소자의 기계적 내구성을 증명했다.

SAICAS를 이용한 계면 결착력 분석은 마이크로 스케일에서 칼날을 이용해 정량적 및 정성적으로 힘을 측정하는 방법으로, 박리 테스트, 테이프 테스트, 마이크로신축성 테스트 등 기존 계면 결착력 측정 방법보다 정확하다. 연구팀은 “SAICAS를 이용한 계면 결착력 분석은 향후 고분자를 이용한 웨어러블 소자 내구성 테스트의 새로운 방법으로 쓰일 수 있을 것”이라 밝혔다.

홍승범 교수는 “이번에 개발된 패브릭 기반 웨어러블 압전 에너지 하베스터 제조 기술은 패브릭 기반 소자의 실용화 가능성을 높였다”라며, “계면 결착력 분석을 통해 고내구성 웨어러블 소자의 디자인 방향을 제시했다ˮ라고 평했다.

한편, 이번 연구는 지난해 12월 23일 국내 특허 등록이 됐으며, 국제 학술지 ‘나노 에너지(Nano Energy)’ 2020년 9월호에 게재됐고, 온라인판에는 5월 22일 기게재됐다. 같은 대학 신소재공학과 노광수 교수팀, 기계공학과 유승화 교수팀, DGIST 에너지공학전공 이용민 교수팀이 연구에 참여했다.