봉지막 기술 개발로 직물 기반 웨어러블 디스플레이 세탁 가능해져
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봉지막 기술 개발로 직물 기반 웨어러블 디스플레이 세탁 가능해져
  • 오유경 기자
  • 승인 2019.05.28 13:41
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에너지 하베스팅 기술로 웨어러블 디바이스 자가발전 가능해져… SiO2 고분자 증착한 봉지막 제작해 디바이스 소자 안전하게 보호

 

 전기및전자공학부 최경철 교수와 전남대학교 의류학과 조석호 교수 공동연구팀이 자가발전이 가능하고 세탁할 수 있는 직물 기반 디스플레이 모듈 기술을 개발했다. 이번 연구는 지난 1월 18일 <에너지&인바이런멘탈 사이언스(Energy&Environmental Science)> 온라인판에 게재됐다.

 

자가발전 가능한 직물 기반 디바이스

 사물 인터넷이 발전하면서, 다양한 기능의 전자기기를 옷 위에 직접 부착할 수 있는 직물 기반 웨어러블 디바이스에 대한 관심이 커졌다. 기존의 이차전지를 이용한 웨어러블 디바이스는 배터리가 방전될 때마다 매번 충전을 다시 해야 하는 번거로움이 있다. 또한, 배터리의 부피가 크고 단단하기 때문에 사용자가 이용하는 데에 한계가 있었다. 그러나,  웨어러블 디바이스는 작은 전력으로도 작동이 가능하기 때문에, 주변 환경에서 에너지를 수확하는 에너지 하베스팅* 기술을 활용해 자가발전이 가능한 디스플레이 모듈을 제작할 수 있다. 이때 웨어러블 디바이스의 소자는 전력을 안정적으로 꾸준히 공급받을 수 있어야 한다. 

 

PSCs로 높은 전력 변환 효율 실현해

 이러한 불편함을 해결하기 위해, 이차전지 대신 직물 기반의 에너지 하베스팅 기술을 이용할 수 있다. 이전까지는 다양한 직물 기반 에너지 하베스팅 재료 중에서 환경 오염이 없고, 단위 부피 당 생산할 수 있는 전력의 양이 가장 큰 태양 전지 중 DSSCs(Dye-Sensitized Solar Cells)와 PSCs(Polymer Solar Cells)가 많이 연구되어 왔다. 연구팀은 그중 유연성이 뛰어나고, 무게가 가벼운 등 기계적 성질이 뛰어나 직물 기판에 적용하기에 좋은 PSCs를 소자로 이용했다.

 PSCs를 웨어러블 디바이스의 전원으로 이용하기 위해서는 소자가 충분한 전력 변환 효율을 가지고 있어야 하며, 수분이 많고 온도가 높은 열악한 상황에서도 안정적으로 소자가 작동할 수 있는 환경이 조성되어야 한다. 최근 고분자와 소자에 대한 연구의 발달로 높은 전력 변환 효율을 지닌 소자가 개발되었지만, 소자가 수분과 열에 대한 높은 민감성을 지녀 기능이 쉽게 떨어지고 수명이 짧아지는 문제를 해결하지 못해 상용화하는 데에 어려움을 겪고 있었다.

 

원자증착법으로 봉지막 내구도 향상

 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 주변 환경으로부터 소자를 보호해 그 기능을 유지할 수 있도록 소자를 감싸는 봉지막(Encapsulation Barrier)을 개발했다. 원자증착법을 이용해 Al2O3와 ZnO를 쌓은 ALD-Al2O3를 이용하면 낮은 온도에서도 구멍이 생기지 않는 막을 형성할 수 있어서 고분자의 파괴를 막을 수 있다. 이렇게 제작한 봉지막은 공기 중에서는 정상적으로 기능하지만, 물속에서와 같은 극한 환경에서는 아직 잘 기능하지 못하기 때문에 웨어러블 디바이스를 세탁하기는 무리가 있다. 

 이를 보완하기 위해 스핀 코팅** 기술을 활용해 ALD-Al2O3 위에 SiO2 고분자 복합재를 나노 단위로 쌓으면, 봉지막의 화학적 안정성이 높아져 물속에서도 낮은 수분 투과도를 유지할 수 있다. 스핀 코팅 기술은 기판 위에 용액을 분사한 후 빠르게 회전시켜서 크기가 큰 입자가 날아가고 나노 단위의 작은 입자만 남게 하고, 열이나 자외선으로 경화시켜 입자층을 증착하는 기술이다.

▲ (a)원자증착법과 스핀 코팅으로 제작한 봉지막을 이용하면 소자를 안전하게 보호할 수 있어 세탁이 가능한 웨어러블 디스플레이를 제작할 수 있음. (b)PSCs 소자 등이 부착된 입는 디스플레이를 세탁하는 실험을 한 결과, 소자의 성능이 거의 유지됨.(ⓒ최경철 교수 제공)

 이번 연구에서 개발한 봉지막 기술을 이용하면 3mm의 작은 곡률반경에서도 웨어러블 전자소자들의 성능이 유지된다. 또한, 연구팀은 10분씩 20번의 세탁 이후에도 봉지막의 성능이 초반 대비 98% 유지되었음을 확인했다. 이번 연구에 제1 저자로 참여한 정은교 박사 과정은 “기존에 착용하는 웨어러블 기기는 세탁할 수 없어 일상생활에 이용하기 불편했는데, 이번 연구를 통해 평상시에도 입을 수 있는 디스플레이의 시대를 열었다”고 연구의 의의를 밝혔다.

 

에너지 하베스팅*

자연적으로 발생하는 에너지를 다시 수집해 인간이 사용할 수 있는 전기 에너지로 전환하는 기술. 태양전지, 열전소자, 압전소자 등을 활용한다.

스핀 코팅**

코팅을 하고자 할 때, 용액이나 액체를 기질 위에 떨어뜨리고 고속으로 회전시켜 얇게 퍼지게 하는 공정. 전자 제품 소자의 제조에 많이 사용된다. 


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