정창규 교수(공대 신소재공학부)가 누르면 전기가 생산되는 압전(壓電) 고분자 재료를 이용한 나노섬유 조성에 따른 성능 향상 원리를 알아내는 데 성공했다.

이 연구결과는 나노분야의 세계적인 저명 국제학술지인 Small (IF=13.281)의 4월호에 게재됐으며, 표지 논문으로도 선정됐다.

외부에서 기계적 힘을 주면 전압이 발생하거나, 반대로 전압을 가해주면 변형이 생기는 특성을 ‘압전(壓電)’이라고 한다. 대부분의 압전 소재는 딱딱한 세라믹 소재다. 그러나 ‘플루오르화 폴리비닐리덴(PVDF)’ 계열의 서로 다른 고분자가 결합해 조성된 소재는 기계적 유연성과 높은 절연성 등의 장점이 있어 많이 연구되고 있다. 그러나 세라믹 소재에 비해 여러 장점이 있는 고분자 결합 소재는 그 원리나 메커니즘에 대한 연구가 상대적으로 미비한 실정이다.

최근 PVDF 계열의 공중합체 소재 내에 두 가지 서로 다른 단량체(monomer)의 조성에 따라서 압전 특성이 급격히 높아질 수 있다는 보고가 있었다. 그러나 일반적으로 많이 사용하고 고분자 섬유 소자 개발이 쉬운 공정에서도 이것이 확인되는지는 알려지지 않았다.

정 교수팀은 이를 밝히기 위해 PVDF 계열의 고분자 결합소재를 매우 간단한 방법으로 넓은 면적의 섬유 구조체를 만들 수 있는 전기방사 공정을 이용해 얇은 나노섬유구조로 만들었다. 이 전기방사 방법은 최근 마스크 필터 제작 등에 널리 적용되고 있다.

연구팀은 전기방사 샘플 제작 및 측정조건을 확립하여 다양한 조성의 PVDF 나노섬유를 제작하였다. 압전 세라믹의 경우에는 조성에 따라서 압전 특성이 높아지는 구간이 존재하는데, 이러한 현상이 고분자 섬유에서도 유사하게 나타날 수 있다는 것을 확인하였다. 최종적으로는 이를 통해 압전 센서 및 에너지 소자의 성능을 향상시킬 수 있음을 밝혀냈다. 이같은 연구 성과는 미래형 웨어러블 소자 개발 등에 널리 활용될 수 있을 것으로 기대되고 있다.

이같은 연구 성과를 통해 정 교수는 소재 분야 세계에서 가장 권위 있는 학회로 인정받고 있는 미국재료학회(MRS)에 초청강연자로도 선정돼 이목을 끌고 있다. 정 교수는 이번 MRS 학술대회에서 초청 강연은 물론, 심포지움 내에서 수차례 좌장을 맡아 행사를 진행할 예정이다.

정창규 교수는 “이번 연구 성과를 통해 압전 고분자에 대한 원리 연구에 대한 흥미를 더욱 북돋을 수 있고 나아가 웨어러블 소자 개발에 적용될 수 있다”며 “2020년에 이어 올해 다시 한 번 MRS 초청강연자로 선정되어 영광”이라고 밝혔다.

한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 이공분야 중견연구자 사업의 지원을 받아 수행됐다.