Update2025.05.18 (일)
한편 P3HT:PCBM 나노섬유에 P3HT:PCBM 용액을 다시 스핀 코팅하였을 때 광전전환 효율이 4.0%로 크게 개선됨이 보고되었다. 이는 이전에 발표된 P3HT:PCBM 나노섬유의 광전전환 효율보다 클 뿐만 아니라, 같은 구조의 박막 소자(3.2%)보다도 더 개선된 결과이다. 이는 전기방사 과정에서 P3HT 사슬이 평면 방향으로 더 정렬되어 광흡수 효율이 개선된 까닭이라고 설명하였다.
2) 압전발전 기능의 지능형 섬유기술
2-1) 유기 고분자섬유를 이용한 압전발전
미국 Univ. California Berkely 연구팀은 근접장 전기방사법(전기장 107V/m 이상)으로 기계적 연신과 전기적인 분극이 가능한 작동 기재에 직접 방사하여 잘 배향된 500~6500nm 직경의 PVDF 나노섬유를 제조하였다. 한 가닥 PVDF 나노섬유는 잘 발달된 압전성 β-결정구조를 갖고 있으며 2Hz의 주기적인 0.085% 인장변형에서 5~30mV의 개방전압과 0.5~3nA의 전류를 생성하였다. 또한 제작한 PVDF 나노섬유의 에너지전환 효율은 평균 12.5%으로, PVDF 박막을 기반으로 한 압전발전기의 에너지전환 효율 0.5~4%와 ZnO 나노와이어를 기반으로 하는 압전발전기의 에너지전환 효율 6.88%보다 큰 것으로 보고 있다.
미국 Georgia Tech 연구팀은 Kapton 필름에 근접장 전기방사법으로 나란히 배향된 PVDF 나노섬유를 제조하고 양 말단을 은 페이스트로 고정시키고 최종적으로 PDMS로 덮어 압전발전 소자를 제조하였다. 이 발전소자는 1.67%/s의 변형속도에서 20mV 전압과 0.3nA 전류를 생성하였다.
호주 Deakin Univ. 연구팀은 디스크 전기방사법으로 제조한 PVDF 나노섬유웹을 압력발전 소자의 활성층으로 사용하였다. 전기방사의 인가전압이 높을수록 PVDF 나노섬유웹의 β-형 결정이 형성되었고, 결과적으로 향상된 압전특성에 의한 에너지전환 효율을 보였다. 60kV의 인가전압에서 제조한 PVDF 나노섬유를 이용한 압전발전기는 5Hz와 5N/cm2의 압축에 대해서 2.6V의 전압과 4.5μA의 전압을 생산하였다. 주기적인 디스크 전기방사법은 또한 대량의 나노섬유웹을 생산할 수 있는 장점이 있다.
2-2) 유기-무기 하이브리드 섬유를 이용한 압전발전
중국 Hong Kong Polytechnic Univ. 연구팀은 PVDF-NaNbO3 나노섬유웹을 압전발전의 활성층으로 사용하고, 은 코팅된 폴리아미드 섬유로 커버링된 폴리우레탄 섬유로 제조된 탄성적인 전도성 편성물을 두 개의 섬유전극으로 사용하여 높은 내구성을 갖는 all-fiber 압전발전 소자를 제조하였다. 이 압전발전기는 0.2MPa과 1Hz의 주기적인 압축시험에서 3.4V의 최대 개방전압과 4.4μA의 최대 전류를 생산하였다.
포르투갈 Univ. Minho 연구팀은 전기방사법으로 제조한 순수한 PVDF 및 P(VDF-TrFE) 나노섬유웹과 다양한 평균직경(10, 100, 500nm)의 BaTiO3 무기입자를 도입한 BaTiO3/P(VDF-TrFE) 나노섬유웹을 활성층으로 사용한 압전발전 소자를 개발하였다. PVDF 나노섬유웹의 경우 1Hz와 ±7mm 진동에서 100ms 동안 ~0.02μW의 전력을 생산하였으며, 손가락에 의한 큰 변형에서는 25μW의 높은 전력을 생산하였다. 한편 P(VDF-TrFE)와 BaTiO3/P(VDF-TrFE) 나노섬유웹의 경우는 순수 PVDF 나노섬유웹보다는 낮은 전력을 생산하였으며 100~1000Hz에서는 진동수에 상관없이 일정한 전력을 생산하였다. 이는 광범위한 응용에 유용한 특성이라고 볼 수 있다.
2-3) 무기섬유를 이용한 압전발전
미국 Georgia Tech 연구팀은 중공 PZT 무기섬유를 이용하여 섬유구조의 압전발전 소자를 제조하였다. PZT 무기섬유를 이용한 압전발전 섬유는 117Hz와 2.5×10-6 변형률에 대해서 0.58V의 개방전압과 26.5mJ/m3의 에너지밀도를 나타내었다.
미국 Georgia Tech 연구팀은 마이크로섬유와 나노와이어의 하이브리드 구조를 갖는 섬유 2가닥을 꼬아 제조한 압전발전 소자를 보고하였다. 우수한 강도, 탄성률, 강성 및 열안정성을 갖는 케블라 129 섬유 표면위에 열수법으로 ZnO 나노와이어를 방사방향으로 균일하게 성장시켰다.
또한 섬유의 높은 유연성을 유지하고 나노와이어의 접착력을 향상시키기 위해 TEOS를 ZnO 나노와이어의 위와 아래로 침투시켜 ZnO 표면의 OH- 그룹과 반응시켰다.
하나의 섬유는 300nm 두께의 금으로 코팅하여 생성된 전하를 모이고 이동시키는 전극으로 사용하였고, 이 섬유로 에너지생산을 위한 Au 코팅하지 않은 다른 섬유를 감싼다.
이 때 두 섬유를 일정한 주기로 서로 잡아당기거나 밀면 Au 코팅하지 않은 섬유 표면의 ZnO 나노와이어가 변형되면서 전력을 생산한다. 약 ~5pA의 피크전류와 1~3mV의 피크개방전압이 발생되었다.
미국 Stevens공대 연구팀은 전기방사법으로 약60nm직경과 500㎛길이의 PZT 나노섬유를 제조하고 이들을 실리콘 기재위에 일정 간격으로 놓여 있는 백금 와이어 전극에 배향시켜 올려놓고 최종적으로 PDMS로 덮어 압전발전 소자를 제조하였다. 이 압전발전 소자는 12%의 주기적인 변형에서 1.63V전압과 0.03μW의 전력을 생산하였다.
스웨덴 Linkoping Univ. 연구팀은 은으로 코팅한 텍스타일 면 패브릭 표면 위에 ZnO 나노로드를 성장시켜 압전발전 소자를 제조하였다. 원자간력 현미경(AFM)의 접촉모드로 면 패브릭위에 성장시킨 ZnO 나노로드의 압전발전 효과를 측정한 결과 9~9.5mV의 전압을 생산하였다.
3) 열전발전 기능의 지능형 섬유기술
미국 Univ. Michigan 연구팀은 최초로 섬유구조의 유연한 열전발전 소자를 보고하였다. 유연한 실리카 섬유 표면위에 Ni와 Ag의 박막 필름을 직렬방식으로 연속적인 열 코팅법으로 열전발전이 가능한 섬유를 제조하였다. 이들은 reel-to-reel 방식으로 대량생산이 가능하다. 이들 섬유는 에너지 하베스팅이 가능한 직물로 제직 또는 복합소재에 탄소섬유와 같은 구조적 섬유와 교직이 가능하다. Ni-Ag 접합당 19.6μV K의 개방회로전압과 6.6K의 온도차이에서 7쌍의 Ni-Ag 접합에서 2nW의 전력을 획득하였다. 또한 실리카 섬유 대신에 열전도도가 낮은 폴리이미드 중공섬유를 사용한다면 보다 우수한 열전발전 섬유가 될 수 있음을 제시하였다.
미국 Univ. Washington 연구팀은 졸-겔을 이용한 전기방사법으로 NaCo2O4 나노섬유를 제조하고 그들의 열전발전 특성을 고찰하였다.
중국 Jilin Univ. 연구팀은 reel-to-reel 공정이 가능한 용액법으로 유연한 유리섬유 표면위에 낮은 열전도도(0.04W/m·K)의 콜로이드상 나노결정(PbTe)을 코팅하여 유연한 열전발전 섬유를 제조하였다. 에너지 하베스팅 효율을 높이기 위해 제조한 열전발전 섬유로 산업용 파이프를 둘러쌓았다. 산업용 파이프의 내부 수온이 85℃이고 외부 수온이 27℃일 때 두 전극사이 전압은 1.7 mV이었다. 이 전압은 예상보다 낮은 결과이었지만 열계면 저항 극소화 설계를 통해 발전소, 화학/석유 산업, 금속 및 유리 제조공장 등에서 단열뿐만 아니라 소실되는 열에너지를 회수하는데 유용하게 사용될 수 있다고 사료된다.
벨기에 연구팀은 웨어러블 열전발전 소자를 이용하여 사무실 또는 일상생활중인 사람을 대상으로 열전발전 실험을 하여 대기온도가 15~27일 때 5~0.5mW의 전력을 생산할 수 있음을 발견하였다. 이러한 열전발전소자가 접목된 셔츠는 동일한 두께와 무게의 알카라인 배터리가 저장되는 에너지보다 더 많은 에너지를 생산할 수 있음을 발견하였다. 이러한 열전발전 소자가 도입된 텍스타일은 건강상태 모니터링 소자와 같은 저전력 웨어러블 전자장치에 신뢰성 있는 에너지 공급원이 될 수 있다
■ 선도기관
■ 국내 동향
■연구개발 현황
우리나라의 경우 최근 출연연구소․대학․산업체를 중심으로 크게 전도성 원천소재에 대한 개발과 융합 및 커넥팅을 위한 기술개발, 융합형 의류제품 개발 등을 활발히 진행하고 있다.
제일모직은 보안용 카펫, 낙상방지용 침대, 자동 온열 시트 등의 압력센서로 활용이 가능한 정전용량 변화센서를 전도사를 이용하여 제작하였으며 유연한 Textile Circuit도 구현하고 있다.
코오롱 인더스트리의 경우, LED System을 의복에 탑재하여 야간산행과 위급상황 시 위치파악이 용이한 섬유 제품을 개발하였고 IT기기의 Pocketing기술을 개발하여 i-POD 내장포켓과 i-POD Controller를 갖는 Smart시리즈를 판매하고 있으며, 사람의 체온에 따라 자동으로 온도조절이 가능한 발열 스마트 섬유 HeaTex를 개발하여 등산복․골프복․스키복 등 아웃도어 기능성 의류에 적용하고 있다.
한국전자통신연구원(ETRI)·조선대·한국섬유연구원·코오롱인더스트리는 산학연 공동으로 2010년 12월부터 5년 동안 15억원을 투입해 인체 활동에너지를 휴대용 및 착용형 정보기술(IT)기기의 구동 동력으로 활용하는 “IT-나노기술(NT) 융합형 초소형 고효율 에너지 하베스팅 시스템” 연구를 수행하고 있다. 지식경제부의 산업 원천기술 개발사업 과제로 추진되는 이 사업의 정식 명칭은 ‘인체 활동 기반 그린 에너지 하베스팅 및 고효율 전력전송 시스템 개발’이다. 환경과 인체 간의 상호작용이나 인체 활동으로부터 발생하는 에너지를 획득한 뒤 이를 전기에너지로 변환·저장·전송하고, 휴대용 및 착용형 IT기기의 구동 동력으로 활용하는 기술을 개발하는 것이 목표이다.
1) 태양광발전 기능의 지능형 섬유기술
삼성종합기술원 연구팀은 미국 Georgia Tech 연구팀과 공동으로 ~220㎛ 직경의 PMMA 섬유표면에 Au를 코팅하고 여기에 화학증착법으로 ZnO 나노와이어를 수직으로 성장시킨 후 그래핀으로 코팅한 구리 메시를 적용하여 최종적으로 에너지발전(압전발전과 태양광발전)과 저장이 모두 가능한 섬유구조의 하이브리드 소자를 보고하였다. 이러한 섬유구조의 하이브리드 소자는 유연하고 착용 가능한 전자장치에 적용 가능하다고 사료된다.
2) 압전발전 기능의 지능형 섬유기술
경희대 연구팀은 전기방사법으로 43㎛ 두께의 P(VDF-TrFE) 나노섬유웹을 이용하여 압전발전 소자를 제조하였다. 이 압전발전기는 압축변형에 대해서 200~400mV의 전압을 생성하였다.
삼성종합기술원 연구팀은 금으로 코팅한 폴리에스터 직물표면 위에 ZnO 나노로드를 성장시켜 압전발전 패브릭과 유전성 폴리에틸렌(PE) 필름을 이용하여 정전기 및 압전특성이 하이브리드된 발전 소자를 제조하였다. 이 하이브리드 텍스타일 발전기는 8V의 전압과 2.5μA의 전류를 생산하였다.
3) 열전발전 기능의 지능형 섬유기술
연세대학교 연구팀은 유연하고 열전도도가 낮은 PDMS 기재를 열전소재에 적용함으로써 신체 열에너지를 전기에너지로 전화시키는 유연한 열전발전 소자를 보고하였다. 체온과 대기온도차가 19℃일 때 생성된 전기에너지는 약 2.1W이었다.
■ 선도 기관
■ 미래의 연구방향
인체 활동 및 주변의 그린에너지(열, 빛, 진동 등)를 수확하고 이 전기에너지를 휴대용 전자기기 및 무선센서 네트워크 소자로 독립적으로 공급하기 위한 지능형 섬유는 높은 에너지전환 효율․유연성․내구성․생체적합성의 특성을 가지고 있어야 한다. 결과적으로 하이브리드 방식의 융합형 초소형 고효율 에너지 하베스팅 시스템 구현하기 위해서는 인체활동 및 주변으로부터 유기되는 다양한 형태의 에너지를 수확할 수 있는 섬유구조의 발전소자 구현 원천기술 개발, 저전력 에너지 변환 회로 연구, 인체 신호 전송을 위한 최적 전송 시스템 등의 핵심 기술개발이 요구된다.
1) 고효율 에너지 획득을 위한 지능형 섬유기술 개발
가늘고 길며 유연한 섬유구조의 태양전지․압전발전 소자․열전발전 소자 구현이 가능하며 우수한 에너지전환 효율 및 내구성을 갖는 소재 개발이 필요하다.
➀ 실외 태양광에서 뿐만 아니라 낮은 실내조명에서도 전기에너지를 획득할 수 있는 섬유구조의 태양광발전 기능의 소재 및 제조공정 개발
➁ 인체로 유기되는 잡음신호(전자파)로부터 유용한 전기에너지를 획득할 수 있는 섬유구조의 전자파발전 기능의 소재 및 제조공정 개발
➂ 낮은 주파수 범위 (1~5 Hz)에서의 작은 진동에 응답 할 수 있는 콤팩트하고 적응성 높은 압전발전 기능의 섬유소재 및 제조공정 개발
➃ 1~5도의 작은 온도차이로부터 유용한 수준의 전기에너지를 획득할 수 있는 높은 효율의 유연한 섬유구조의 열전발전 기능의 소재 및 제조공정 개발
2) 하이브리드 에너지 하베스팅 기능의 지능형 섬유기술 개발
열전발전․압전발전․태양광발전․전자파발전을 하이브리드화하여 실내외의 어떠한 주변 환경에서도 에너지 하베스팅이 가능한 지능형 섬유소재 및 시스템 기술개발이 필요하다.
3) 수확한 에너지를 저장․변환․관리하기 위한 회로 및 시스템기술 개발
착용자에 미치는 영향을 최소화하면서 그린에너지 발전소자 및 유연한 섬유/텍스타일과의 통합하여 획득한 에너지를 최적으로 변환 및 저장할 수 있는 장치, 전원 조절 장치와 센서 및 신체 영역 네트워크에 대한 자체 전원 센서 시스템을 통합할 수 있는 회로설계 기술 개발이 필요하다.
4) 에너지 하베스팅 기능의 지능형 섬유의 디자인 및 제품설계 기술 개발
압전발전 소자를 위한 지능형 섬유의 경우, 기계적 진동에너지를 전기에너지로 하베스팅하는 소자의 디자인은 신체의 위치에 달라질 수 있다. 그러므로 발․종아리․무릎․가슴․팔 등의 주요 신체 위치에 따라 특별히 설계되어 눈에 거슬리지 않도록 에너지 하베스팅 기술 및 제품설계 기술개발이 필요하다.
5) 내구성과 건강을 고려한 에너지 하베스팅 기능의 섬유제품 개발
에너지 하베스팅 기능을 섬유제품에 내장하여 사용하므로 가혹한 환경 조건에서도 견딜 수 있는 내구성을 가져야 하는데 일반적인 섬유제품 사용 시 다양하게 발생될 수 있는 굽힘․접힘․오염 등 물리적ㆍ화학적인 반응에 견딜 수 있는 내구성은 기본이고, 반복적으로 사용 가능한 전원의 개발과 세탁도 가능해야 할 것이다. 또한 섬유제품은 인체와 매우 근접하여 사용하게 되므로 섬유의 유연함과 편안함을 방해해서도 안 되고, 건강을 위협하는 전자파 발생 등의 유해한 환경을 제공해서도 안 된다.
■ 정책적 제언
유비쿼터스 환경에서의 휴대용 전자기기가 차세대 성장 동력으로 부상하고 있듯이 그린에너지 하베스팅 기능의 지능형 섬유도 기술적으로 보다 성능이 향상되고, 가혹한 환경 조건에서도 견딜 수 있는 내구성을 갖추게 되면 섬유 고유의 유연함과 편안함에 각종 전자 디지털 기능이 더해져 새로운 시장을 창출할 것으로 기대된다. 그렇지만 지금까지 살펴본 그린에너지 하베스팅 기능의 지능형 섬유기술은 대부분이 초기연구 단계로 상용화에 성공한 사례는 거의 없다. 따라서 선도적인 기술 확보를 위한 산학연의 역할, 정부의 정책적․제도적 지원 방안 수립이 필요하다.
1) 산학연의 협력 필요성
에너지 하베스팅․감지․무선통신 등과 기능과 관련된 지능형 섬유기술은 날로 발전하고 있으나 아직까지 상업화에 성공한 사례는 많지 않다. 섬유 또는 IT 등 한 쪽 분야에 치우친 제품이 개발되어왔고, 이러한 제품은 어느 한쪽의 성능에도 못 미치는 경우가 많다. 또한 가격적인 면에서도 소비자들의 지갑을 열 정도의 수준으로 내려가지 못하였고, 시장성도 불투명한 상황이다.
이러한 상황 속에서 기초 연구개발 단계에서 벗어나 한 단계 도약하기 위해서는 산학연의 협력으로 다양한 분야의 전문가 교류, 성능․신뢰성이 확보된 에너지 하베스팅 기능의 지능형 섬유개발, 용도에 맞는 응용분야 발굴, 판매망 확보, 생산 인프라 구축을 통한 융합을 이루어내는 것이 중요하다.
에너지 하베스팅 기능의 지능형 섬유가 우리 생활의 혁신을 일으킬 시대는 머지않았으며, 앞으로 우리의 일상생활에 점점 더 가까이 다가올 제품임에는 분명하다. 원천기술 확보 및 다양한 응용제품 개발을 통하여 융합섬유 제품의 선두로 나갈 수 있도록 산․학․연이 힘을 모아야 할 것이다. 특히 융합기술 분야는 혼자 개발이 불가능하며, 서로 협업․분업을 통해 진정한 기술개발이 가능하다.
2) 정부의 정책적 제도적 지원 필요성
유비쿼터스로 촉발된 시공간의 제약 없는 IT 정보기기와 서비스 제공은 잦은 충전의 번거로움을 유발하였고, 원하는 때에 어느 곳에서나 전기 에너지를 공급받고자 하는 자립형 에너지원에 대한 욕구로 연결되어 IT 융합 하비스팅 에너지 관리가 필요하게 되었으며, 이는 인간 친화적 IT 기술을 위한 대표적 도전 과제 중의 하나이다.
에너지와 환경 문제에 대한 공감대 확산으로, 청정 대체 에너지에 대한 잠재적인 사회적 수요가 표면화 될 것으로 예측되며, 머지않아 에너지 효율이 높은 저전력 소비형 모바일 기기가 지속적으로 개발될 것으로 예상된다.
기존의 에너지 하베스팅 기술들은 에너지원과 변환 소자의 차이로 인해 개별적으로 연구되어 왔으나, 주변 환경과 인체 활동의 변화가 수반되는 착용형 에너지 하베스팅에서는 사용 가능한 에너지원이 다양하게 변화하므로, 둘 이상의 에너지원에 대한 하이브리드 형태의 에너지 하베스트 원천기술 연구개발이 필요하다.
착용형 에너지 하베스팅 분야는 생산 단계에 있지 않지만 그 파급 효과가 막대하며 아직까지 해결해야 하는 기술적 난제들이 존재하고 모험적인 투자가 요구되는 분야이므로 이에 대한 정부의 선도적인 연구개발 투자가 필요하다.
