핫프레싱을 이용한 패브릭 기반 웨어러블 에너지 하베스터의 제조 방법과 구조 및 소자의 압전 에너지 하베스팅 특성 분석 결과. [KAIST 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 한국과학기술원(KAIST)은 신소재공학과 홍승범 교수 연구팀이 핫프레싱 기술을 이용해 가격 경쟁력과 내구성이 높은 패브릭(천) 기반 웨어러블 압전 에너지 하베스터 제조 방법을 개발했다고 9일 밝혔다.

핫프레싱은 온도와 압력을 가해 두 물체를 단단히 점착시키는 공법을 말하며 에너지 하베스팅은 버려지는 에너지를 수집해 전기로 바꿔 쓰는 기술이다.

오늘날 웨어러블 소자는 센서, 원동기, 디스플레이에서 에너지 하베스팅에 이르기까지 다양한 응용 분야에서 사용되고 있다. 특히 기존 옷에 내장형으로 사용될 수 있고, 편안하고 내구성 좋은 패브릭에 기반한 웨어러블 소자가 주목받고 있다.

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.

연구팀은 복잡한 공정 및 설비 시설 대신 간단한 방법인 핫프레싱을 이용해 전도성 폴리에스터 패브릭과 압전 고분자 필름이 결합된 패브릭 기반 웨어러블 압전 에너지 하베스터 제조 방법을 개발했다. 또 기존 내구성 테스트 방법인 굽힘 테스트와 더불어 새롭게 도입한 ‘표면 및 계면 절단 분석시스템’(SAICAS)을 이용해 패브릭과 고분자 필름 사이 계면 결착력을 측정함으로써 웨어러블 소자의 높은 기계적 내구성을 증명했다.

연구진이 개발한 제조 방법에서 제시하는 핫프레싱은 배터리나 연료전지 셀 제작에 주로 쓰이는 방법으로 2~3분 안에 완료될 정도로 빠르고 간단하며 동시에 높은 접착력을 얻을 수 있는 공정이다. 결정화 온도 근처 이하에서 고분자 필름을 패브릭에 접착시키면, 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. 이러한 핫프레싱을 이용해 개발된 웨어러블 소자는 기존 의류에 접착할 수 있는 응용 가능성을 가지고 있어 공정 단가를 낮출 수 있을 것으로 기대된다.

홍승범 교수는 “개발된 패브릭 기반 웨어러블 압전 에너지 하베스터 제조 기술은 패브릭 기반 소자의 실용화 가능성을 한 단계 높였고, 고내구성 웨어러블 소자의 디자인 방향을 제시했다”며 “이 기술은 패브릭과 고분자를 이용한 다른 소자의 제조 공정 및 분석에도 새로운 기틀을 마련할 수 있을 것으로 전망한다ˮ고 말했다.

이번 연구성과는 국제학술지 ‘나노 에너지’ 9월호에 게재됐다.

nbgkoo@heraldcorp.com