신소재공학과 홍승범 교수 연구팀이 가격 경쟁력과 내구성이 높은 패브릭을 기반으로 핫프레싱 기술을 이용해 웨어러블 압전 에너지 하베스터*를 제조하는데 성공했다. 이번 연구는 신소재공학과 노광수 교수, 기계공학과 유승화 교수 연구팀과 DGIST 에너지공학전공 이용민 교수 연구팀의 협업을 통해 수행됐고, 지난 9월 국제 학술지 <나노 에너지(Nano Energy)>에 게재됐다.

상용화 어려운 패브릭 기반의 소자
 오늘날 웨어러블 소자는 센서, 원동기, 디스플레이에서 에너지 하베스팅에 이르기까지 다양한 응용 분야에서 사용되고 있다. 4차 산업혁명 도래 이후 소형 웨어러블 소자에서 내장형 웨어러블 소자로 더욱 급속히 발전하고 있다. 최근에는 옷에 내장해 사용 가능할 뿐만 아니라 내구성이 좋고 착용하기 편안한 패브릭을 기반으로 하는 웨어러블 소자를 개발하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 하지만 패브릭 기반 웨어러블 소자는 복잡한 제조 방법과 설비 시설에 따른 공정 및 가격 측면에서 단점을 가지기 때문에 아직 실용화 단계에 이르지 못하고 있다. 또한, 소자의 내구성을 평가하는데 있어 소자 내의 패브릭과 실제 구동 파트 사이의 결합력 및 효율을 정밀하게 분석하기 어렵다는 한계가 존재했다. 이러한 한계점을 보완하기 위해 간단하고 값싼 공정과 재료, 새로운 기계적 특성 분석 기술 등에 관한 연구가 주목받고 있다.

온도와 압력 가하는 핫프레싱 이용해
 연구팀은 패브릭 기반 웨어러블 소자의 복잡한 공정 문제를 해결하기 위해 비교적 간단한 방법인 핫프레싱(Hot Pressing) 공법을 활용했다. 핫프레싱 공법은 온도와 압력을 가해 두 물체를 단단히 점착시키는 방법으로 배터리나 연료전지 셀 제작에 주로 쓰인다. 또한, 2~3분 안에 완료될 정도로 빠르고 단순한 과정을 거치면서 동시에 높은 접착력을 얻을 수 있는 공정이다. 특히 결정화 온도 근처 이하에서 고분자 필름을 패브릭에 접착시키면, 고분자 필름 표면이 비정질화**되면서 접촉면이 넓은 울퉁불퉁한 패브릭 표면에 빽빽이 접착되고, 날실과 씨실 사이로 새어 나와 못과 같은 형태로 되어 높은 계면 결착력을 가질 수 있게 된다. 연구팀은 이러한 핫프레싱 공법을 응용해 패브릭 기반 웨어러블 압전 에너지 하베스터 제조 방법을 새롭게 개발했다. 

압전 소자의 특성으로 에너지 수집해
 연구팀은 우선 전도성 폴리에스터 패브릭에 압전 고분자 필름(Poly(vinylidene fluoride-co-trifluoroethylene), P(VDF-TrFE))을 부착하고 높은 온도를 가했다. 압전 고분자 필름이 순간적으로 녹으면서 전도성 폴리에스터 패브릭 표면에 스며들고, 실 틈 사이로 필름 성분이 들어가 패브릭과 필름이 강력하게 결합된다. 이후 시간이 지나 압전 고분자 필름이 점차 식으면서 압전 소자의 성질을 다시 가지게 된다. 여기서 압전 소자의 특성상 압력 및 진동에 의해 소자가 변형되면 전기 에너지가 발생하는데, 압전 고분자 필름와 결합한 패브릭 기반의 웨어러블 소자를 이를 활용한다. 옷이 구겨지는 과정 등에서 발생하는 전기로 에너지 하베스팅이 가능한 것이다. 과거에는 패브릭 기반 웨어러블 소자에 에너지 하베스팅 기술을 적용하기 위해서는 패브릭 표면에 에너지 하베스터를 특수 기계 장치를 사용해 직접 붙여야만 했다. 하지만 이번 연구팀이 개발한 패브릭 기반 웨어러블 압전 에너지 하베스터 제조 방법을 이용하면 에너지 하베스팅이 가능한 패브릭 기반 웨어러블 소자를 간단하고 신속한 방식으로 제작할 수 있다.

내구성 측정 위한 새 분석시스템 도입  
 이어 연구팀은 기존 웨어러블 소자의 내구성 테스트 방법인 굽힘(Bending) 테스트에 표면 및 계면 절단 분석시스템(Surface and Interfacial Cutting Analysis System, SAICAS)을 새롭게 도입했다. SAICAS를 이용한 계면 결착력 분석은 마이크로 스케일의 정밀도에서 예리한 절삭 칼날을 제어해 정량적 및 정성적으로 힘을 측정하는 방법으로 기존의 계면 결착력 측정 방법인 박리 테스트, 테이프 테스트, 마이크로신축성 테스트 등과 같은 여러 방식에 비해 훨씬 정확한 분석이 가능하다. 연구팀은 SAICAS를 최초로 패브릭 기반 웨어러블 소자 내구성 테스트에 도입했고, 이를 통해 이전에는 정밀하게 검사할 수 없었던 패브릭과 고분자 필름 사이 계면 결합력과 효율성을 측정할 수 있는 방법을 개발했다. 실제로 연구팀은 SAICAS를 이용한 내구성 테스트를 이용해 이번에 개발된 패브릭 기반 웨어러블 소자의 높은 기계적 내구성을 증명할 수 있었다.

이번 연구는 핫프레싱 공법으로 시중에서 판매되는 실제 의류에도 접착 가능한 높은 내구성의 패브릭 기반 웨어러블 소자를 개발할 수 있음을 증명했다. 또한, 상업적으로 웨어러블 소자의 공정 단가를 낮출 수 있을 것으로 기대된다. 더불어 SAICAS를 이용한 계면 결착력 분석은 향후 고분자를 이용한 웨어러블 소자 내구성 테스트의 새로운 방법으로 쓰일 수 있을 것으로 기대된다. 홍 교수는 “본 연구에서 개발된 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 제시할 것”이라고 연구 의의를 전했다. 이어 “이 기술을 이용해 패브릭과 고분자를 이용한 다른 소자의 제조 공정 및 분석에도 새로운 기틀을 마련하는 연구를 진행할 것”이라고 추후 연구 계획을 밝혔다.

압전 에너지 하베스터*
압전체 물질을 이용해 생활 주변에서 버려지는 압력과 진동 같은 에너지를 수집하고 이를 사용 가능한 전기 에너지로 변환하는 장치.

비정질화**
균일한 조성은 가지고 있으나, 원자 배열이 액체와 같이 흐트러져 있는 고체 물질. 유리, 고무, 수지 따위가 있으며 반도체, 자성체, 고강도 재료 따위로 씀.