초록 ▼

□ 연구개발 목표 및 내용
○ 최종 목표
자가발전 복합기능 패브릭을 위한 압전성 나노섬유 고속·대량생산 기술을 개발하고 압전성 섬유를 이용한 직조구조의 3차원 곡면으로의 드레이핑 공정 중 발생하는 거시적/미시적 변형과 그에 따른 기계적-전기적 물성변화와의 상관관계의 실험적/해석적 규명 및 관련 데이터베이스를 구축한다.
더불어 압전나노섬유와 나노섬유 기반 직조물의 발수성과 마찰전기 에너지 수확 특성에 대한 최적화 조건 확립을 통한 다기능 발전소자 및 에너지저 장소자 개발을 목표로 한다.

○ 전체 내용

□ 연구개발 목표 및 내용
○ 최종 목표
자가발전 복합기능 패브릭을 위한 압전성 나노섬유 고속·대량생산 기술을 개발하고 압전성 섬유를 이용한 직조구조의 3차원 곡면으로의 드레이핑 공정 중 발생하는 거시적/미시적 변형과 그에 따른 기계적-전기적 물성변화와의 상관관계의 실험적/해석적 규명 및 관련 데이터베이스를 구축한다.
더불어 압전나노섬유와 나노섬유 기반 직조물의 발수성과 마찰전기 에너지 수확 특성에 대한 최적화 조건 확립을 통한 다기능 발전소자 및 에너지저 장소자 개발을 목표로 한다.

○ 전체 내용
1-1. 다양한 직조형태의 직물제작
1) 압전 나노섬유의 기능화 후처리 기술 개발
2) PVDF섬유를 이용한 직조 기술 개발
3) 기능성 자가발전 패브릭 개발
1-2. 직물의 미세구조 변화 관찰 및 분석 I
1) 직물 미세구조 변형에 따른 압전특성변화
2) 대면적-곡면구조 적용에 따른 직물의 거시변형과 미세변형 상관관계 도출
1-3. 직물의 미세구조 변화 관찰 및 분석 II
1) 미세구조 변형에 따른 물성변화 상관관계 도출
2) 직물의 연속적 물성변화 결정방법 제안
1-4. 최적의 직조패턴 제안을 위한 시뮬레이션 연구
1) 자가발전 패브릭의 압전성능 극대화를 위한 최적설계 수행
2) 주요 사용 목적에 따른 최적의 직조형태 제안
1-5. 대면적·고성능 자가발전 패브릭의 신뢰성 평가
1) 자가발전 패브릭의 안정성과 지속성 확보를 위한 회로구성
2) 자가발전 패브릭의 기계적/열/습도 신뢰성 평가
2. 나노섬유기반의 초소수성 직조물 제작 및 고출력 마찰대전 발전소자 개발
1) 섬유 직경과 직조 방법 등의 조절에 의한 초소수성 표면 설계방법 개발
2) 압전나노섬유/나노섬유 기반 직조물과 내/외부물질(빗물, 피부접촉 등)과의 마찰대전 메커니즘 규명
3) 초소수성과 고출력 마찰대전 특성을 동시에 갖는 다기능성 마찰대전 발전소자 개발
3. 슈퍼 커패시터 나노섬유 기반의 에너지저장 기능성 직조물 개발
1) 슈퍼커패시터 나노섬유 제작; 커패시터 전극 제조를 위한 레이저 화학공정 개발
2) 슈퍼커패시터 나노섬유 제작; 다공성 탄소나노소재와 전극섬유의 접합 공정 개발

○ 1단계
□ 목표
• 직물제작 및 압전특성 실험
• 압전 섬유에 마찰대전 발전 가능성 구축
• 에너지저장용 기능성 나노섬유 후처리 시스템 구축
• 압전성 고전도 나노섬유에 적용가능한 에너지저장용 기능성 나노소재발굴
• 드레이핑 거동에 따른 거시적 변형과 물성변화 관계의 실험적 규명
• 나노섬유의 초소수성 표면 제작 및 마찰대전 메커니즘 규명
• 에너지저장 기능성 나노섬유 제작
• 에너지저장 나노섬유의 직조성 확보
• 드레이핑 거동에 따른 미시적 변형과 물성변화 관계의 실험적 규명
• 나노 섬유 기반의 마찰대전 발전소자 제작
• 방수성 에너지저장 나노섬유 개발
• 에너지저장 나노섬유의 용량 최적화

□ 내용
• PVDF 기반물질의 압전특성 향상을 위해 유기변성 점토입자 첨가 및 후처리 수행
• PVDF기반 섬유다발, 탄소섬유 토우, 절연섬유를 이용하여 평직, 능직, 주자직의 직물센서 제작. 당초목표(2개 패턴) 초과달성
• 충격에너지 크기에 따른 세 종류의 직물센서 (평직, 능직, 주자직)의 전기신호 (전압) 측정 및 센서활용가능성 평가 (선형성 확인)
• 표면처리된 섬유의 소재특성을 파악하고 출력을 측정 및 분석하여 마찰대전 가능성 확립
• 섬유형상을 프로토타입으로 제작하여 섬유 내/외부 물질과의 마찰대전 발전 메커니즘 구축
• 에너지저장용 기능성 나노섬유를 제조하기 위한 레이저 후처리 시스템을 구축하고, 이를 이용해 섬유형 수퍼커패시터 구현을 위한 나노전극 섬유를 제작함
• 기계적 변형에 강한 수퍼커패시터용 나노전극섬유를 제작하여 조립된 전극 소재의 굽힘성 및 접합성을 평가함
• 자가발전 패브릭의 전단변현에 따른 Locking angle 파악
• 전단각에 따른 기계-전기적 물성측정
• 구리 Core 전극과 PDMS물질을 활용하여 표면제작 및 측정하여 다기능성 섬유로서의 가능성 확인
• 소자 개발 및 외부물질과의 접촉/분리시 마찰대전 발전 메커니즘 구축 (최대 전압 25V, 최대 전류 2.6μA, 계산 최대 전력 64μW)
• 나노섬유 플랫폼 기반의 슈퍼커패시터 설계 및 제조기술 개발
• 직조 가능한 에너지저장 나노섬유 개발
• 직조 구조에 따른 자가발전 패브릭 센서의 전단 한계 변화 측정
• 직조 구조에 따른 자가발전 패브릭 센서의 압전 성능 변화 측정
• 압전 섬유로 제작한 자가발전 패브릭 센서의 성능 평가
• 직물 구조의 미시적 변형에 따른 압전 성능 평가
• 발수도·방수성이 확보된 나노 섬유 기반 마찰대전 발전소자 제작
• 다양한 외부물질과의 접촉/분리 시 전기적 출력 측정
• 목표 전기 성능(전류 > 2μA, 전력 > 50μW) 확보
• 슈퍼커패시터의 용량변화 평가 (<±20%)@IPX 7 달성
• 커패시터 용량 > 3 mF/㎠ 달성

○ 2단계
□ 목표
• 드레이핑 시뮬레이션을 통한 최적의 직조패턴 결정
• 기능성 나노 섬유의 소수성 특성 최적화
• 나노 섬유 기반 마찰대전 발전소자의 전기적 특성 최적화
• 에너지저장 나노섬유의 용량 최적화
• 에너지저장 나노섬유의 기계적 유연성 평가
• 대면적 센싱을 위한 압전 리본 기반 직조형 센서구조 제작 및 성능평가
• 나노섬유기반의 마찰대전 발전소자의 기능화
• 에너지저장 나노섬유의 기계적 안정성 평가
• 에너지저장 나노섬유의 열적 안정성 평가
• 대면적 센싱을 위한 압전 섬유 기반 직조형 센서구조 제작 및 성능평가
• 나노섬유 기반 마찰대전 발전소자의 발수, 방수 특성 확보
• 에너지저장 나노섬유의 화학적 안정성 평가

□ 내용
• 상용 FEA 코드를 이용한 드레이핑 시뮬레이션 및 다양한 직조패턴에 대한 드레이핑 시험
• 침지 코팅을 통해 나노 섬유를 고분자 기반의 소수성 표면을 갖도록 제작하고 직조 방식에 따른 소수성 특성 분석 및 최적 조건 확립
• 압전 나노 섬유 기반 마찰대전 발전소자의 출력 측정과 직조 방식 및 회로 구성을 통한 전기적 특성 최적화
• 전기전도성 개선 또는 유/무기 첨가제를 이용한 저장용량 개선
• 슈퍼커패시터 파이버의 구조 설계 개선
• 압전 리본 기반의 자가발전 복합기능 패브릭을 이용한 실제 구조물 제작 및 멀티 센싱 보정기술 개발
• 나노섬유 기반 발전소자의 정접촉각/동접촉각 측정을 통한 표면 소수특성 평가와 전기적 출력 측정 및 분석
• 에너지 저장 섬유의 굽힘 테스트
• 대기온도와 체온 사이의 반복 온도 변화 사이클에서 작동성 테스트
• 실제 구조물 직조 및 제작
• 멀티 센싱 및 보정기술 개발
• 발수도/방수성 확보를 통한 기능성 인증과 전기적 출력 측정 및 분석
• 인체의 피부·땀의 pH 환경(약산성, pH 5.5 - 6.0)에서 작동성 테스트

□ 연구개발성과
• 유명 국제저널 논문게재 36편
• 국내외 특허 등록 및 출원 (국내 34건 출원-21건 등록, 국제 8건 출원-2건 등록)
• 우수한 성능 (테이블 내용: 발수도5급, 섬유표면적 50%이상, 유연성 50mm, 굽힘내구성 10000회 이상 등)
• 언론홍보 및 연구관련 포상 등

□ 연구개발성과 활용계획 및 기대 효과
• 본 과제를 통해 개발된 자가발전 직물은 직물기반 전자장치를 각종 웨어러블 디바이스에 적용하여 기존의 단순 의류, 침구, 헬스케어 제품의 성능을 고도화함으로써 제품의 부가가치를 향상시키기 위한 제품화 기술개발에 적극 활용할 계획임.
• 유연한 직물기반의 센서/구동기/발전기/전기회로 시스템은 기존의 Hard cover 기반의 디바이스 시장을 완전히 바꾸는 게임 체인져 역할을 할 것으로 기대되며, 이는 학술적, 경제적, 사회적, 문화적 변화를 주도할 것으로 기대됨.
• 직물구조를 가지는 모든 형태의 센서에 적용될 수 있으므로 그 파급효과가 클 것으로 기대.
• 건강관리를 위해 실시간으로 사용자의 체온 및 생체 리듬 변화 측정이 가능한 착용형 제품시장은 급속한 발전기대.
• 현재 이슈가 되고 있는 웨어러블 전자 기기 시장, IoT 및 나노발전 소자 그리고 미래형 친환경 대용량 에너지 생산 시스템 등에 필요한 소자를 경제적이고 효율적으로 상용화 가능.
• 직물에 딱딱한 하드웨어를 연결하는 기존의 웨어러블 기술의 한계를 극복하고, “부드러운” 전자디바이스를 구동하기 위한 “부드러운” 전원(power source)을 구현하여, 디바이스의 모든 구성요소가 복합기능 직물로 집적화되는 이상적인 기술로 활용이 가능.
• 본 기술을 적용하여 추후 대면적 섬유형 소자의 정밀도를 향상시킨다면 기존의 발전 소자에 비해 더욱 진보한 지능형 표피의 구현이 가능하므로 모든 산업 분야에 적용 가능하며, 그 활용 분야가 무궁무진함.

(출처 : 연구결과 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 요 약 문 ... 2
• 목차 ... 7
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 8
• 1) 연구 개발의 개요 ... 8
• 2) 연구 개발 대상의 국내·외 현황 ... 8
• 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 12
• 1) 연구 개발의 목표 ... 12
• 2) 연구 개발의 목표 및 내용 ... 13
• 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 정도 ... 15
• 1) 연구수행 결과 ... 15
• (1) 정성적 연구개발성과 ... 15
• (2) 정량적 연구개발성과 ... 47
• 2) 목표 달성 수준 ... 49
• 4. 목표 미달 시 원인분석 ... 52
• 5. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도 ... 52
• 1) 연구개발성과의 활용 방안 ... 52
• 2) 기대효과 ... 53
• 6. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 54
• 끝페이지 ... 55