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화학硏, 스프레이 분사만으로 자가발전 섬유 제조 기술 개발
▲ 화학연 연구진이스프레이 분사 공정으로만든 마찰전기 발전섬유를 보여주고 있다.
국내 연구진이 고전압 장비 없이 스프레이 분사만으로 섬유 형성과 전기 누설 방지 코팅을 동시에 구현하는 자가발전 섬유 제조 기술을 확보, 복잡한 기존 제조 공정을 단순화해 별도 배터리 없이 작동하는 스마트 센서와 웨어러블 전자소자 제조에 활용될 것으로 기대된다.
화학연(원장 신석민)은 손은호 책임연구원(UST 교수)·김주현 책임연구원 연구팀과 한국기술교육대학교(한기대) 배진우 교수 연구팀이 서로 다른 고분자를 혼합해 스프레이로 분사하는 단일 공정으로 자가발전 섬유를 제조하는 기술을 개발했다고 밝혔다.
마찰전기 나노발전기(TENG)는 서로 다른 두 물체가 접촉한 뒤 분리될 때 발생하는 전기를 활용해 에너지를 생산하는 기술이다. 발전 성능을 높이려면 두 물체의 접촉 면적을 넓히고 생성된 전하가 외부로 누출되지 않도록 해야 한다.
기존에는 이를 위해 고분자를 가느다란 섬유 형태로 제조하는 과정에서 고전압 장비를 사용하고, 전기 누설을 방지하기 위한 소재를 별도로 코팅해야 했다. 제조 공정이 복잡하고 대면적 생산에도 어려움이 있었다.
연구팀은 전하 생성에 유리한 불소계 고분자 P(VDF-TrFE)와 생성된 전하를 유지하는 데 유리한 실리콘계 고분자 PDMS를 혼합한 뒤 스프레이로 분사하는 단일 공정을 개발했다. 분사 과정에서 섬유 구조를 형성하고 두 고분자가 스스로 배열되도록 해 별도의 코팅 단계 없이 전기 누설을 방지하는 구조를 구현했다.
P(VDF-TrFE)는 전하 생성에 유리한 베타(β)상 구조가 형성될수록 마찰전기 성능을 높이는 데 유리하다. 기존에는 고전압 전기장을 이용해 고분자 사슬을 정렬했지만, 이번 기술은 스프레이 분사 과정에서 발생하는 힘으로 고분자 사슬을 늘리고 정렬했다. 이후 용매가 빠르게 증발하면서 정렬된 구조가 고정돼 β상 형성을 촉진한다.
두 고분자는 분사 후 건조되는 과정에서 표면에너지 특성 차이에 따라 서로 다른 위치에 배열된다. PDMS는 섬유 바깥쪽에, P(VDF-TrFE)는 안쪽에 상대적으로 많이 모인다. 이에 따라 섬유 외부에 위치한 PDMS가 전기 누설을 방지하는 구조가 자연스럽게 형성된다. 연구팀은 이러한 현상을 ‘자가층화’라고 설명했다.
성능 평가에서는 290V의 전압과 7.5㎂의 전류, 최대 1.23W/㎡의 전력밀도를 기록했다. 또한 3만 회의 접촉·분리 작동 후에도 초기 수준의 출력 성능을 유지해 내구성을 확인했다.
연구팀은 개발 소재를 활용해 12개의 TENG 센서로 구성된 키패드를 제작하고, 입력된 비밀번호를 인식해 잠금장치를 작동시키는 스마트 도어락 상자를 구현했다. 이를 통해 별도 전원 없이 작동하는 에너지 하베스터와 인간-기계 인터페이스용 센서로서의 활용 가능성을 확인했다.
배진우 한기대 교수는 “간단한 스프레이 공정만으로 섬유 구조를 형성하는 동시에 서로 다른 고분자가 각자의 기능에 맞는 위치에 자발적으로 배열되도록 한 것이 이번 연구의 핵심”이라며 “앞으로 대면적 자가발전 센서와 웨어러블 전자소자의 제조 공정을 단순화하는 데 활용될 것으로 기대한다”고 말했다.
신석민 화학연 원장은 “국내에 연구기관이 드문 불소 소재 분야에서 화학연이 쌓아온 역량이 다양한 분야에 활용될 수 있음을 보여준 좋은 사례”라고 밝혔다.
한편, 이번 연구 결과는 복합재료 분야 국제학술지 ‘Advanced Composites and Hybrid Materials’에 2026년 9월 게재됐다. 손은호 화학연 책임연구원(UST 교수), 김주현 화학연 책임연구원, 배진우 한기대 교수가 공동 교신저자로 참여했으며, UST 박채린 석사과정생과 한기대 우인선 박사과정생이 공동 제1저자로 참여했다.