Research
일상생활 속 에너지 재활용(압전섬유), 식물의 꽃과 줄기 모양에서 해답을 찾다!
- 압전섬유의 구성성분의 형태와 압전성능 간의 관계 규명
- 일상생활에서 버려지거나 소모되는 에너지를 재활용할 수 있는 에너지 하베스팅 섬유소재의 상용화 앞당겨
DGIST(총장 국양) 에너지융합연구부 임상규 책임연구원 연구팀은 일상생활에서 버려지거나 소모되는 에너지를 재활용할 수 있는 에너지 하베스팅 기술이 활용 가능하도록 단면형태가 균일하게 제어된 압전고분자/세라믹 복합 섬유를 개발했다.
압전섬유는 소재의 압전효과를 기반으로 전기 에너지를 생산할 수 있는 섬유로서 착용자의 움직임을 통해서 웨어러블 전자기기를 구동할 수 있다. 하지만 현재까지 개발된 압전섬유의 형태는 대부분 나노섬유 형태로 이루어져 섬유의 형태 조절이 어렵고 섬유의 강도가 약한 단점이 있어 아직 실용화 단계까지는 이르지 못하고 있다. 또한 섬유소재의 형태와 압전성능의 관련성을 규명한 연구는 극히 미미한 실정이다.
에너지융합연구부 임상규 책임연구원 연구팀은 용융방사 기술을 이용하여 식물의 꽃과 줄기 형태(수선화, 무꽃, 파피루스줄기, 사초 줄기)를 모사한 단면 형태가 균일하게 제어된 나노막대 형태의 타이타늄산바륨이 함유된 PVDF(Polyvinylidene fluoride) 섬유를 제조하였다. 이를 통해 섬유의 표면적을 향상시키는 동시에 전기를 생성하는데 유리한 섬유의 결정성(crystallinity)을 증가시켜 압전 성능을 향상시킨다는 것을 규명하였다.
또한 섬유의 형상에 따른 비표면적이 압전효과와의 상관관계를 초고속카메라를 이용하여 규명하였다. 압전세라믹 PVDF 복합섬유는 외부 힘에 의한 변형에 따라 전기적 신호가 발생하는데, 압전세라믹의 형태에 따라 압전성능이 다름을 규명하고자 각기 다른 형태(구형, 막대형)의 타이타늄산바륨 나노구조체가 함유된 PVDF 섬유를 제조하였고, 이를 비교한 결과 막대형태의 타이타늄산바륨 나노구조체가 유전분극을 극대화하고 배열에 유리한 압전성능 향상에 기여함을 규명하였다.
임상규 책임연구원은 “향후 해당 연구를 통해 섬유의 강도가 강화된 고성능 섬유형 에너지 하베스팅 소재를 상용화를 구현할 수 있을 것으로 전망된다.”고 밝혔다.
한편, 이번 연구 결과는 국제학술지 나노에너지(Nano Energy) 6월호에 게재됐다.
· · ·
연구결과개요
Effects of biomimetic cross-sectional morphology on the piezoelectric properties of BaTiO3 nanorods-contained PVDF fibers
Young Kwang Kim, Sung-Ho Hwang, Hye-Jin Seo, Soon Moon Jeong, Sang Kyoo Lim
(Nano Energy, IF = 17.881 published on 6.15, 2022)
압전섬유는 소재의 압전효과를 기반으로 전기 에너지를 생산할 수 있는 섬유로서 사람의 움직임을 통해서 웨어러블 전자기기를 구동할 수 있다. 대표적인 압전섬유인 PVDF 섬유는 현재 대부분 나노섬유 형태로 이루어져 섬유의 형태조절이 어렵고 섬유의 강도가 약한 단점이 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 본 연구 그룹은 압전섬유 제작에 용융방사공정을 도입하여 단면형태가 제어된 압전섬유를 개발하였다. 특히 섬유 단면의 형태를 식물의 꽃과 줄기의 단면모양을 본뜬 형태로 균일하게 제조할 수 있을 뿐만 아니라 압전효과를 극대화할 수 있는 유효단면적을 제어할 수 있는 제조기술을 개발하였다. 또한 이 연구를 통하여 고성능 압전섬유 기반 나노발전기를 대량생산화 하는 연구에 기여할 수 있을 것이라 기대된다.
· · ·
연구결과문답
Q. 이번 성과 무엇이 다른가?
본 연구는 압전효과를 나타내는 고분자 및 세라믹을 기반으로 한 압전에너지 하베스팅 섬유의 효율에 영향을 주는 요인을 조사한 연구로서 PVDF 섬유의 단면 형태와 BaTiO3의 형태가 압전성능 향상에 있어서 주요한 영향을 미친다는 것을 확인하였다. 특히, 용융방사방법을 도입하여 PVDF 섬유 단면의 모폴로지를 식물의 꽃과 줄기의 단면 형태로 균일하게 섬유의 단면적을 조절하여 압전성능에 미치는 영향을 조사한 결과 외부의 힘에 따라 변형되는 섬유의 유효접촉부피와 압전성능이 비례함을 확인하였다.
Q. 어디에 쓸 수 있나?
섬유 및 직물형 웨어러블 압전소재 분야에 적용가능하다.
Q. 실용화까지 필요한 시간과 과제는?
압전섬유에서 생성되는 전압 및 전류 신호를 처리할 수 있는 고전도성 섬유와 개발된 압전섬유 간의 일체화 공정개발이 필요하며 이러한 점이 해결된다면 실용화가 가능할 것으로 기대한다.
Q. 연구를 시작한 계기는?
대표적인 압전섬유인 PVDF 섬유는 현재 대부분 나노섬유 형태로 이루어져 섬유의 형태조절이 어렵고 섬유의 강도가 약한 단점이 있다. 이러한 문제를 해결하여 형태조절이 쉽고 실생활에 적용 가능한 수준의 압전섬유소재를 제작 해보고자 연구를 시작하게 되었다.
Q. 어떤 의미가 있는가?
용융방사 방법을 적용함으로서 압전섬유의 단면형태를 손쉽게 제어하여 에너지생산용 섬유를 대량으로 생산할 수 있다.
압전섬유의 실제 변형 현상을 초고속카메라로 관찰하여 압전섬유의 구성성분의 형태와 성능간의 상관관계를 규명하였다.
Q. 꼭 이루고 싶은 목표는?
연구팀의 최종 목적은 에너지를 생산, 저장, 구동할 수 있는 섬유 및 직물 일체형 소재를 개발하고 웨어러블 기기에 적용 개발하는 것이다.
· · ·
그림설명
[그림 1] 섬유의 구성성분의 모폴로지와 압전성능간의 관계를 파악하기 위한 방법 모식도
(a-d) 용융방사를 통해 유효단면적이 제어된 PVDF 섬유의 식물의 구조를 모사한 단면 모폴로지 (e) 압전성능 향상을 위해 첨가된 BaTiO3의 모폴로지
[그림 2] PVDF 섬유의 유효접촉부피과 압전성능과의 관계
(a-h) 외력 인가 시 PVDF 섬유 단면 모폴로지에 따른 PVDF 직물의 실제 변형 전 후 사진 (i-j) PVDF 섬유 단면 모폴로지에 따른 생성 전압 및 전류 (k) PVDF 섬유의 유효접촉부피와 생성 전압 및 전류와의 관계 그래프
