KAIST, 패브릭 기반 소자 상용화 가능성 높여

핫프레싱 기술 이용...압전 에너지 하베스터 제조 방법 개발 성공

KAIST(총장 신성철)는 신소재공학과 홍승범 교수 연구팀이 '핫프레싱' 기술을 이용해 가격 경쟁력과 내구성이 높은 패브릭(천) 기반 웨어러블 '압전 에너지 하베스터' 제조 방법을 개발하는 데 성공했다고 9일 밝혔다.

'핫프레싱(hot pressing)'은 온도와 압력을 가해 두 물체를 단단히 점착시키는 공법이다. 또 '에너지 하베스팅(energy harvesting)'은 버려지는 에너지를 수집(수확)해 전기로 바꿔 쓰는 기술이고, 압전 에너지 하베스팅은 압전체라는 물질을 이용해 에너지 하베스팅을 하는 걸 말한다.

홍 교수 연구팀 소속 김재규 박사과정 학생이 제1저자로 참여한 이번 연구는 지난 2019년 12월 23일 국내 특허 등록이 됐고, 국제 학술지 `나노 에너지(Nano Energy)' 9월호에 게재됐다(5월 22일 온라인판에 게재). 이번 연구는 DGIST 에너지공학전공 이용민 교수팀과 KAIST 신소재공학과 노광수·기계공학과 유승화 교수팀과 협업으로 이뤄졌다.(논문명: Cost-effective and strongly integrated fabric-based wearable piezoelectric energy harvester)

(왼쪽부터) 홍승범 교수, 김재규 박사과정

웨어러블 소자는 센서, 원동기, 디스플레이, 에너지 하베스팅 등 다양한 응용 분야에 사용된다.  4차 산업혁명 시대를 맞아 편안하고 내구성 좋은 패브릭(천)에 기반한 웨어러블 소자가 주목받고 있다.

기존 패브릭 기반 웨어러블 소자는 복잡한 제조 방법과 설비 시설에 따른 공정 및 가격 측면에서 한계가 있어 실용화에 어려움이 많았다. 소자 내구성도 한계가 있었다. 이런 문제를 보완하기 위해 간단하고 값싼 공정과 재료, 새로운 기계적 특성 분석 기술 등에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다.

이번 연구 성과는 복잡한 공정 및 설비 시설 대신 비교적 간단한 방법인 핫프레싱을 이용해 전도성 폴리에스터 패브릭과 압전 고분자 필름이 결합된 패브릭 기반 웨어러블 압전 에너지 하베스터 제조 방법을 개발했다는 데서 주목된다.

또, 기존 내구성 테스트 방법인 굽힘(bending) 테스트와 더불어 새롭게 도입한 '표면 및 계면 절단 분석시스템(SAICAS, Surface and Interfacial Cutting Analysis system)'을 이용해 패브릭과 고분자 필름 사이 계면 결착력을 측정, 웨어러블 소자의 높은 기계적 내구성을 증명했다.

연구진이 개발한 제조 방법에서 제시한 '핫프레싱'은 배터리나 연료전지 셀 제작에 주로 쓰이는 방법으로 2~3분 안에 완료될 정도로 빠르고 간단하며 동시에 높은 접착력을 얻을 수 있는 공정이라는게 KAIST 설명이다.

핫프레싱을 이용한 패브릭 기반 웨어러블 에너지 하베스터 제조 방법과 구조 및 소자의 압전 에너지 하베스팅 특성 분석 결과 이미지.

결정화 온도 근처 이하에서 고분자 필름을 패브릭에 접착시키면, 고분자 필름 표면이 비정질(amorphous)화하면서 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 KAIST 교수는 "이번 연구에서 개발한 패브릭 기반 웨어러블 압전 에너지 하베스터 제조 기술은 패브릭 기반 소자의 실용화 가능성을 한 단계 높였고, 계면 결착력 분석을 통해 고내구성 웨어러블 소자의 디자인 방향을 제시했다"면서 "이 기술은 패브릭과 고분자를 이용한 다른 소자의 제조 공정 및 분석에도 새로운 기틀을 마련할 수 있을 것으로 기대한다"고 밝혔다.

이번 연구는 KAIST HRHRP 사업, 과학기술정보통신부 재원 한국연구재단 지원 기초연구사업과 중견연구사업, 웨어러블 플랫폼소재 기술센터 지원 및 KAIST 글로벌 특이점 연구사업 지원으로 수행됐다.