에너지수확용 압전 나노섬유

Piezoelectric Nanofibers for Self-Powered Multifunctional Fabrics

○ 최근 섬유와 IT기술의 융합이 가속화되면서 다양한 기능성 섬유를 활용한 웨어러블 전자기기의 구현이 현실화 되고 있다. 이는 섬유제품은 가볍고, 유연하고, 신축성이 있으며, 착용 시 편안하고 안락한 기분을 느낄 수 있으며, 저렴하면서 넓은 표면에 다양한 기능성을 부여할 수 있는 장점이 있기 때문이다. 이러한 웨어러블 전자기기에 상시전원을 공급하기 위해서는 섬유형태의 에너지수확(energy harvesting) 소자가 필요하며, 이를 통해 자가발전이 가능한 복합기능의 직물(textile)을 제조할 수 있게 된다.
○ 압전재료(piezoelectric material)는 압력이 가해지면 전압이 발생하기 때문에 기계적 에너지를 전기에너지로 변환할 수 있는 대표적인 에너지수확 소자로 사용될 수 있는 재료이다. Poly vinylidene fluoride (PVDF)는 가장 널리 알려진 압전고분자이다. 이러한 압전 고분자를 섬유형태로 제작하고 고전도성의 전극을 형성하면 에너지수확이 가능한 기능성 섬유가 되며, 이러한 압전섬유를 직조하여 에너지수확이 가능한 직물을 제작할 수 있다.
○ 압전성 기반의 기능성 나노섬유의 개발을 위해서는 우수한 에너지 하베스팅 효율과 더불어 섬유화가 가능한 유연성과 내구성이 동시에 확보된 창의적인 소재 개발이 요구된다. 특히 웨어러블 차세대 에너지 소재로 응용하기 위해서는 기능성과 생산성이 통합적으로 충족되는 새로운 합성 기술 및 공정에 대한 연구가 진행되어야 한다.
○ 압전 고분자인 PVDF는 고분자 사슬이 규칙적으로 배열되어 있는 crystallite와 무질서하게 배열되어 있는 영역(amorphous region)이 공존하게 된다. 고분자 사슬이 규칙적으로 배열된 crystallite 영역은 대개 주로 α 상 혹은 β 상의 형태로 존재하게 된다. β 상으로 존재하는 영역은 강유전 구역(ferroelectric domain)에 해당하며, α 상으로 존재하는 영역은 상유전 구역(paraelectric domain)에 해당한다. 강유전 구역은 전기적 쌍극자(electric dipole)가 한 방향으로 정렬되어 있어 압전특성을 보여주나, 상유전 구역은 전기적 쌍극자의 합이 0이 되어 압전특성을 나타내지 않는다. 따라서, PVDF 고분자는 강유전 구역들의 분극 방향을 정렬하기 위한 분극처리를 필요로 한다.
○ PVDF 고분자는 결정성이 높지 않은 반면, VDF 단분자와 trifluoroethylene (TrFE) 단분자의 중합체로 이루어진 P(VDF-TrFE)는 PVDF 보다 상대적으로 높은 결정성을 나타내게 되어 PVDF 보다 높은 압전특성을 보이게 된다. 하지만 P(VDF-TrFE)는 PVDF 보다 합성에 높은 제조비용이 들게 되어 가격이 비싸기 때문에 대량의 섬유화를 통한 복합기능 직물의 상용화에는 어려운 점이 있다. 따라서 PVDF 고분자를 제조공정에서 결정성을 증가시켜 높은 압전특성을 보이는 섬유로 제작하는 기술이 필요하다. 따라서, 본 연구에서는 Thermal Drawing 방법을 이용하여 PVDF 기반의 압전 나노복합소재 섬유를 고속으로 양산할 수 있는 제조공정을 개발하고자 한다.

본 연구는 한국연구재단에서 지원하는 나노소재기술개발사업의 지원을 받고 있다.

- 연구제목: 자가발전 복합기능 패브릭을 위한 압전성 나노섬유 고속·대량생산 기술 개발
- 총괄책임자: 최승태 교수
- 연구기간: 2016. 08. 01 - 2021. 07. 31 (60 개월)
- 총연구비: 25.15억원

IMG_9954
Figure: Fiber drawing tower for self-powered multifunctional fabrics

EH-Fabrics

Figure: Application of self-powered multifunctional fabrics


Link to...

Home | 사람들 | 연구 | 논문/특허 | 연구장비 | 게시판 | 연락처

중앙대학교 | 기계공학부