- 세계 최초, 움직임을 천으로 데이터화하는 웨어러블 센서 개발 -

간사이(Kansai, ?西) 대학 시스템 이공학부와 데이진(Teijin, 帝人) 주식회사는 세계에서 처음으로 폴리 유산 섬유와 탄소 섬유를 사용한 압전 패브릭을 개발하였다고 한다. 

압전체는 압전효과(지식리포터 주 1)를 이용하여 압력을 가하면 전기 에너지를 발생시키고 반대로 전기 에너지를 가하면 신축하는 특성을 가지는 물질의 총칭으로 그 특성을 이용하여 스위치 등 센서나 스피커 등의 액추에이터(구동체)로서 사용되고 있다. 압전체로서는 일반적으로 PZT(lead zirconate titanate(Pb[Zr(x)Ti(1-x)]O3))가 이용되고 있지만 세라믹에 의한 유연성이나 투명성 결여나 납을 사용하고 있는 것에 의한 용도 한정 등이 과제가 되고 있다. 또한 유기물인 PVDF(Poly Vinylidene DiFluoride)(지식리포터 주 2)가 압전체로서 이용되기도 하지만 전계 배향 처리가 필요하기 때문에 공업적인 생산이 어렵다고 간주되어 온도 변화에 의해 전위가 발생하는 성질(초전성)을 가지고 있으므로 용도가 한정되는 과제가 있었다.

이러한 문제점을 간사이 대학과 데이진은 2012년 폴리 L 유산과 폴리 D 유산을 적층시키는 것으로 강력한 압전 성능을 발휘하여 유연성이나 투명성도 가지고 있는 압전 필름을 공동 개발해 현재 시장 개척을 진행시키고 있었지만, 이번에 그 기술의 응용에 의해 섬유를 이용한 ′압전 패브릭′이라는 완전히 새로운 콘셉트의 웨어러블 디바이스의 개발에 성공하였다고 한다.

이번에 공동 개발한 압전 패브릭은 압전체에 폴리 L 유산 섬유, 전극에 탄소섬유를 사용하는 것으로서, 센서나 액추에이터에서의 사용을 가능하게 한 패브릭으로 ′평직(平織)′, ′능직(綾織)′, ′새틴(satin)(지식리포터 주 3)′의 세 가지 타입이 개발되었다. 평직 타입은 ′굽힘′을 감지할 수 있고 새틴은 ′비틀림′, 능직은 ′굽힘′, ′비틀림′에 이어 3 차원 방향을 감지할 수 있다고 한다.

연구팀은 후쿠이(Fukui, 福井) 현 공업 기술 센터의 협력을 얻어 이 세 가지 타입의 패브릭을 개발했지만, 그 짜는 방법이나 뜨는 방법의 종류는 수백 가지이므로 변위나 감지하고 싶은 방향에 따라 압전 패브릭의 설계가 가능하게 된다.

데이진은 향후 발전 전략이 목표로 할 방향으로서 사업이나 소재의 ′융합′, ′복합화′를 내걸고 있다. 한편 간사이 대학은 산학관 제휴 센터를 설치하여 산학관 제휴의 대처를 가속하고 있다. 이번 개발은 데이진이 가지고 있는 폴리머 컨트롤 기술이나 텍스타일 기술과 압전체의 세계적 권위인 간사이 대학 연구팀이 오랜 세월 연구개발한 지견을 복합화하는 것으로서, 산학 제휴에 의해 완전히 새로운 가치의 창출로 연결되는 것이라고 한다.

향후 간사이 대학과 데이진은 최적의 패브릭을 설계함으로써 지금까지 불가능한 ′착용하는 것만으로 정밀한 움직임의 데이터화′의 실현을 목표로 한다. 그리고 그것을 기본으로 수술이나 간병 등 원격 의료나 전통 공예 등의 직공기술의 가시화, 그리고 우주 개발에 이르기까지 ′사람의 움직임을 정밀하게 재현한다′함에 따라 지금까지의 센싱 기술을 확립해 인터넷 상에서 사물 인터넷(IoT, Internet of Things) 사회의 진화에 공헌할 예정이라고 한다. 

(지식리포터 주 1) 압전효과(Piezoelectric Effect)
압전체를 매개로 기계적 에너지와 전기적 에너지가 상호 변환하는 작용이다. 다시 말해 압력이나 진동(기계에너지)을 가하면 전기가 생기고 전기를 흘려주면 진동이 생기는 효과이다. 이 변환을 만들어 주는 압전체는 압력이나 진동을 가하면 전기가 생기는 물질로 우리가 사용하는 가스레인지의 점화과정이 압전체를 이용한 압전효과의 대표적인 예다. 손잡이를 돌려 압전체에 압력을 가하면 전기가 생성되어 불꽃이 발생하여 공급된 가스와 만나 불이 붙는다.현재 전 세계적으로 가장 널리 사용되고 있는 대표적인 압전체는 PZT(납, 질콘, 티탄으로 만든 소재)라는 세라믹(무기화합물) 소재이지만, 최근 환경 문제에 대한 규제가 늘어남에 따라 납을 사용하지 않은 압전 세라믹 재료의 개발 필요성이 높아지고 있다. 이밖에도 PVDF라는 폴리머 계열 소재에서도 압전 현상이 나타나며 이를 이용한 박막 스피커 등 개발도 활발히 진행되고 있다.
압전효과는 에너지 변환을 필요로 하는 분야에서 무궁무진하게 응용되고 있다. 각종 진동을 이용하여 전기에너지를 생성하는 에너지 하베스팅은 무공해 재생에너지라는 점에서 각광받는 연구 분야라고 한다. 또한 거꾸로 전기를 주입할 때 생기는 진동은 초음파 분야에서 응용되어 가습기나 세척기같은 생활용품, 초음파 모터 등의 분야에서 이미 다양하게 사용되고 있다. 이밖에도 압전효과를 복합시킨 응용 사례도 있다. 어군탐지기는 전기에너지를 기계에너지(초음파)로 변환하여 내보내고 돌아온 기계에너지를 다시 전기에너지로 바꾼 원리이고 비파괴검사도 이와 같은 원리라고 한다.

(지식리포터 주 2) PVDF(Poly Vinylidene DiFluoride)
고내성, 고순도의 열가소성 불소 집합체의 하나이다. PVDF는 고가이고, 일반적으로 고순도, 고강도나 내약품성, 열내성이 요구되는 용도에 이용된다. 또한 PVDF는 강유전성의 폴리로 압전성이나 초전성을 가지고 있기 때문에 센서 등에서의 응용도 이루어지고 있다.

(지식리포터 주 3) 새틴(satin)
공단(貢緞)이라고도 하며 표면이 윤이 나고 뒷면은 그렇지 않은 직물이다. 새틴은 날실이 우세한 직조 방식으로 직물의 씨줄을 최소로 하여 만들어진다. 새틴은 비단, 나일론 또는 폴리에스테르와 같은 가는 실을 사용하는 새틴직으로 짜며 정의하기에 따라서 직물은 비단으로 짜야 한다고 주장되기도 한다. 사용된 실이 목화와 같은 단섬유이면 직물은 모수자(또는 면수자)라 한다. 

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』