스마트 의류: 스웨터에서 전기 생산
- 기술 / 문광주 기자 / 2024-11-14 20:21:03
4분 읽기
- 스마트 직물의 첫 번째 프로토타입, 초박형 태양전지를 사용해 스스로 전기 생산 가능
- PBFDO라고 불리는 전자 전도성 소재로, 화학구조상 유연하고 가벼워 섬유에 쉽게 적응
- 폴리머 스레드가 포함된 직물은 변압기와 결합해 USB 포트를 통해 휴대용 전자 장치 충전
스마트 옷이 반드시 스마트한 사람을 만드는 것은 아니지만 전자 장치가 내장된 재킷, 스웨터 또는 바지는 확실히 유용하다. 예를 들어, 내장 LED 덕분에 어둠 속에서도 빛을 발할 수 있고, 센서를 사용해 사용자의 활동을 추적하거나 환경에서 독성 가스를 감지한다. 이러한 스마트 직물의 첫 번째 프로토타입은 옷에 인쇄할 수 있는 초박형 태양전지를 사용해 스스로 전기를 생산할 수 있다.
전기를 생산하는 직물에 대한 또 다른 접근 방식은 열전 재료다. 따뜻한 체온과 차가운 주변 온도의 온도차를 이용하여 전기를 생산한다. 예를 들어, 실에 인쇄된 전도성 폴리머는 도체 역할을 한다.
열 섬유용 새로운 전자 전도체
문제는 폴리머 기반 열전 장치가 작동하려면 전자와 양전하를 띤 전자 정공(정공이라고도 함)을 모두 전달할 수 있어야 한다는 것이다. 직물에 통합될 수 있는 정공 전자 전도성 코팅은 이미 존재한다. 그러나 열전 의류용으로 효율적인 전자 전도성 폴리머가 부족하다.
"우리는 최근에 발견된 폴리머 유형인 최적의 실을 생산하기 위해 누락된 퍼즐 조각을 찾았다"고 Chalmers 공과 대학의 수석 저자 Mariavittoria Craighero가 보고했다. PBFDO라고 불리는 전자 전도성 소재로, 화학구조상 유연하고 가벼우며 섬유에 쉽게 적응할 수 있다.
테스트 중인 폴리머 실크 원사
Craighero와 그녀의 팀은 이제 이 폴리머가 스마트 직물에 얼마나 적합한지 조사했다. 이를 위해 그들은 실크 실에 PBFDO를 코팅한 다음 단기 및 장기 전기 전도도를 결정했다. 테스트에서 폴리머 코팅 실크 원사는 센티미터당 13지멘스(Siemens=1/Ω)의 전기 전도도를 나타냈다. 팀은 열전 전력이 평방 미터당 0.46µW*(m^−1)*(K^−2)의 값으로 결정했다.
연구진은 실의 실용 적합성을 판단하기 위해 PBFDO 원사를 상온에서 수개월 동안 보관한 뒤 세탁기에 여러 차례 연속 세탁했다. 결과: 14개월 동안 보관한 후에도 실은 거의 변하지 않았다. Craighero와 그녀의 동료들은 3년 이상이 지난 후에도 전도성이 절반만 손실될 것이라고 추정한다.
코팅은 또한 기계 세탁이 가능한 것으로 보인다. “7번 세탁 후에도 실은 전도성 특성의 2/3를 유지했다. Craighero는 “상업적으로 실행 가능하려면 상당한 개선이 필요하지만 이는 좋은 결과다”고 말했다.
원사 조합을 동력원으로
다음 단계에서 연구진은 이 원사로 만든 열전 섬유를 사용하여 발전을 테스트했다. 이를 위해 그들은 실크 원사의 일부를 전자 전도성 PBFDO로 코팅하고 다른 부분을 정공 전도성 폴리머 PEDOT:PSS로 코팅했다. 그들은 이 실을 사용하여 정사각형의 절반에는 PBFDO 실을 사용하고 나머지 절반에는 PEDOT:PSS 실을 사용하여 4x4 정사각형을 직물 조각으로 꿰매었다. 그들은 폴리머를 은색 래커칠(lacker)로 결합했다.
그런 다음 연구원들은 뜨거운 표면과 차가운 표면 사이에 물질을 놓고 결과적인 열 전압을 결정했다. 약 30켈빈의 온도 차이로 직물은 약 6mV(밀리볼트)의 전압을 생성했다. 최대 전력은 약 0.67㎼였으며 에너지 밀도는 제곱센티미터당 약 22nW(나노와트)였다. Craighero와 그녀의 동료들은 “예를 들어 생리학적 신호에 대한 전기화학 센서를 구동하는 데 충분할 것이다”고 설명했다.
전자제품 충전 스테이션으로서의 열 섬유?
감열재를 실험실에서 손으로 만들고 재봉해야 했기 때문에 시간이 많이 걸렸지만, 자동화된 공정을 개발하고 대규모 생산 규모를 만드는 것이 가능할 것이라고 연구팀은 말했다. 예를 들어 폴리머 스레드가 포함된 직물은 전압 변환기와 결합하여 USB 포트를 통해 휴대용 전자 장치를 충전할 수 있다.
"열전 직물에는 환상적인 가능성이 있으며 이 연구는 사회에 큰 이익이 될 수 있다"고 Chalmers 공과 대학의 수석 저자 Christian Müller는 결론지었다.
(Advanced Science, 2024; doi: 10.1002/advs.202406770)
출처: Chalmers University of Technology, Göteborg
- 스마트 직물의 첫 번째 프로토타입, 초박형 태양전지를 사용해 스스로 전기 생산 가능
- PBFDO라고 불리는 전자 전도성 소재로, 화학구조상 유연하고 가벼워 섬유에 쉽게 적응
- 폴리머 스레드가 포함된 직물은 변압기와 결합해 USB 포트를 통해 휴대용 전자 장치 충전
곧 스웨터에서 전류가 나오나요?
새로 개발된 폴리머로 스마트 직물 성능 향상
새로 개발된 실은 미래에 우리 몸의 열로부터 전기를 생산할 수 있다. 이는 열전 발전기 역할을 하는 전도성 폴리머로 만들어진 특수 코팅을 통해 가능해졌다. 이 원사로 만든 직물 조각의 파워는 소형 센서에 전력을 공급하기에 충분할 수 있다. 그리고 새로운 전열電熱 직물은 테스트 결과에 따르면 세탁기로 세탁해도 살아남을 수 있다.
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| ▲ 이 열전재료는 체온으로 전기를 생산할 수 있다.© Hanna Magnusson / Chalmers University of Technology |
스마트 옷이 반드시 스마트한 사람을 만드는 것은 아니지만 전자 장치가 내장된 재킷, 스웨터 또는 바지는 확실히 유용하다. 예를 들어, 내장 LED 덕분에 어둠 속에서도 빛을 발할 수 있고, 센서를 사용해 사용자의 활동을 추적하거나 환경에서 독성 가스를 감지한다. 이러한 스마트 직물의 첫 번째 프로토타입은 옷에 인쇄할 수 있는 초박형 태양전지를 사용해 스스로 전기를 생산할 수 있다.
전기를 생산하는 직물에 대한 또 다른 접근 방식은 열전 재료다. 따뜻한 체온과 차가운 주변 온도의 온도차를 이용하여 전기를 생산한다. 예를 들어, 실에 인쇄된 전도성 폴리머는 도체 역할을 한다.
열 섬유용 새로운 전자 전도체
문제는 폴리머 기반 열전 장치가 작동하려면 전자와 양전하를 띤 전자 정공(정공이라고도 함)을 모두 전달할 수 있어야 한다는 것이다. 직물에 통합될 수 있는 정공 전자 전도성 코팅은 이미 존재한다. 그러나 열전 의류용으로 효율적인 전자 전도성 폴리머가 부족하다.
"우리는 최근에 발견된 폴리머 유형인 최적의 실을 생산하기 위해 누락된 퍼즐 조각을 찾았다"고 Chalmers 공과 대학의 수석 저자 Mariavittoria Craighero가 보고했다. PBFDO라고 불리는 전자 전도성 소재로, 화학구조상 유연하고 가벼우며 섬유에 쉽게 적응할 수 있다.
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| ▲ a) 순수한 실크 실의 횡단면과 b) 금으로 스퍼터링한 PBFDO 코팅 실크 실의 측면을 보여주는 SEM 사진, c, d) PBFDO로 코팅한 실크 실의 횡단면(금 스퍼터링 없음)을 보여주는 SEM 사진이다. (출처:관련논문 Poly(benzodifurandione) Coated Silk Yarn for Thermoelectric Textiles / Advanced Science) |
테스트 중인 폴리머 실크 원사
Craighero와 그녀의 팀은 이제 이 폴리머가 스마트 직물에 얼마나 적합한지 조사했다. 이를 위해 그들은 실크 실에 PBFDO를 코팅한 다음 단기 및 장기 전기 전도도를 결정했다. 테스트에서 폴리머 코팅 실크 원사는 센티미터당 13지멘스(Siemens=1/Ω)의 전기 전도도를 나타냈다. 팀은 열전 전력이 평방 미터당 0.46µW*(m^−1)*(K^−2)의 값으로 결정했다.
연구진은 실의 실용 적합성을 판단하기 위해 PBFDO 원사를 상온에서 수개월 동안 보관한 뒤 세탁기에 여러 차례 연속 세탁했다. 결과: 14개월 동안 보관한 후에도 실은 거의 변하지 않았다. Craighero와 그녀의 동료들은 3년 이상이 지난 후에도 전도성이 절반만 손실될 것이라고 추정한다.
코팅은 또한 기계 세탁이 가능한 것으로 보인다. “7번 세탁 후에도 실은 전도성 특성의 2/3를 유지했다. Craighero는 “상업적으로 실행 가능하려면 상당한 개선이 필요하지만 이는 좋은 결과다”고 말했다.
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| ▲ 이 실크 실은 폴리머로 덮여 있다. © Hanna Magnusson / Chalmers University of Technology |
원사 조합을 동력원으로
다음 단계에서 연구진은 이 원사로 만든 열전 섬유를 사용하여 발전을 테스트했다. 이를 위해 그들은 실크 원사의 일부를 전자 전도성 PBFDO로 코팅하고 다른 부분을 정공 전도성 폴리머 PEDOT:PSS로 코팅했다. 그들은 이 실을 사용하여 정사각형의 절반에는 PBFDO 실을 사용하고 나머지 절반에는 PEDOT:PSS 실을 사용하여 4x4 정사각형을 직물 조각으로 꿰매었다. 그들은 폴리머를 은색 래커칠(lacker)로 결합했다.
그런 다음 연구원들은 뜨거운 표면과 차가운 표면 사이에 물질을 놓고 결과적인 열 전압을 결정했다. 약 30켈빈의 온도 차이로 직물은 약 6mV(밀리볼트)의 전압을 생성했다. 최대 전력은 약 0.67㎼였으며 에너지 밀도는 제곱센티미터당 약 22nW(나노와트)였다. Craighero와 그녀의 동료들은 “예를 들어 생리학적 신호에 대한 전기화학 센서를 구동하는 데 충분할 것이다”고 설명했다.
전자제품 충전 스테이션으로서의 열 섬유?
감열재를 실험실에서 손으로 만들고 재봉해야 했기 때문에 시간이 많이 걸렸지만, 자동화된 공정을 개발하고 대규모 생산 규모를 만드는 것이 가능할 것이라고 연구팀은 말했다. 예를 들어 폴리머 스레드가 포함된 직물은 전압 변환기와 결합하여 USB 포트를 통해 휴대용 전자 장치를 충전할 수 있다.
"열전 직물에는 환상적인 가능성이 있으며 이 연구는 사회에 큰 이익이 될 수 있다"고 Chalmers 공과 대학의 수석 저자 Christian Müller는 결론지었다.
(Advanced Science, 2024; doi: 10.1002/advs.202406770)
출처: Chalmers University of Technology, Göteborg
[더사이언스플러스=문광주 기자]
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