폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)은 에너지 수확과 센싱에 널리 사용되는 매력적인 일렉트렛 소재로, 나노스케일로 크기를 줄이면 더 높은 표면 전하 밀도로 성능 향상이 기대된다. 본 연구에서는 고성능 자가 구동 웨어러블 센서를 위해 나노섬유 PTFE를 전기방사법으로 제조했다. PTFE 입자를 희석 폴리에틸렌 옥사이드(PEO) 수용액에 분산시켜 전기방사한 후, 350°C 열처리로 PEO 성분을 제거해 PTFE 나노섬유 막을 얻었다. 이 막은 페이스 마스크와 비슷한 압력 강하로 우수한 공기 투과성, 인장 강도 3.8MPa의 우수한 기계적 특성, -270V의 안정된 표면 전위를 보였다. PTFE 나노섬유 막을 두 장의 전도성 카본 천 사이에 샌드위치 구조로 조립해 호흡 가능하고 유연한 고성능 나노발전기(NG) 소자(피크 전력 56.25µW)를 제작했다. 이 NG 소자는 웨어러블 자가 구동 센서로 직접 사용되어 팔꿈치 관절 30° 굽힘, 호흡 리듬, 전형적인 심장 주기를 출력 파형으로 명확히 기록할 수 있었다. 본 연구는 전기방사 PTFE 나노섬유 막을 이용한 고성능 자가 구동 웨어러블 센서 구현을 입증했다.
웨어러블 전자소자는 건강 모니터링, 인공 피부, 인간-컴퓨터 인터페이스 등 다양한 분야에 적용되어 차세대 전자소자의 중요한 클래스로 여겨진다. 웨어러블 전자소자의 급속한 발전은 기본 기능 부품인 웨어러블 센서에 대한 큰 수요를 창출했다. 가볍고 유연하며 신축 가능하고 특정 표면에 밀착 가능한 웨어러블 센서 개발에 큰 기회가 열려 있으며, 이를 위해 나노스케일 신소재와 공정 기술이 필요하다.
가장 널리 쓰이는 웨어러블 센서 중 하나인 유연 압력 센서는 기계적 힘을 전기 신호로 변환해 신체 동작 감지와 건강 모니터링에 널리 쓰인다. 최근 압저항성과 정전용량 메커니즘 기반 고감도 유연 압력 센서가 발전했으나, 대부분 외부 전원이 필요해 복잡하고 비싸며 응용을 제한한다. 자가 구동 시스템을 통합해 외부 전원 장치를 없애는 것이 필요하다. 다행히 팔 동작, 체열, 호흡 등 일상 활동에서 충분한 에너지를 얻을 수 있어 이를 자가 구동 센서 전원으로 활용할 수 있다. 압전 효과, 마찰전기 효과, 정전기 효과 기반 다양한 나노발전기(NG)가 인체 에너지를 효과적으로 활용해 자가 구동 센서 전원으로 개발되어왔다.
PTFE는 마찰전기 및 일렉트렛 계열의 중요 소재로 에너지 수확과 센서 소자에 널리 사용된다. 나선형 사슬 구조와 탄소 골격의 균일한 불소 피복으로 우수한 유연성, 초고화학적 불활성, 우수한 열안정성을 가지나 가공이 어렵다. 따라서 대부분의 PTFE 활용 연구는 상용 PTFE 박막을 그대로 쓰거나 반응성 이온 식각 등 고비용 후처리에 의존했다. 미세 표면적 증가는 마찰전기 발전기의 유효 표면 전하 밀도를 높여 출력 성능을 향상시킨다. 최근 전기방사 PTFE 나노섬유 막을 상용 박막 대체재로 사용해 훨씬 큰 표면적 덕분에 트라이보일렉트릭 NG 성능을 높인 사례가 보고되었다. 표면 전하 밀도는 일렉트렛 성능 결정 인자이기도 하므로 전기방사 PTFE 나노섬유 막이 고성능 일렉트렛 소자 제작에 적합할 것으로 기대된다.
본 연구에서는 전기방사 PTFE 나노섬유 막을 고성능 일렉트렛 NG로 활용해 자가 구동 센서에 적용했다. 이 설계는 여러 장점을 가진다. 첫째, 전기방사 PTFE 나노섬유 막을 두 장의 전도성 천 사이에 샌드위치하는 단순한 조립 공정으로 제작이 쉽고 저비용, 대량 생산이 용이하다. 둘째, PTFE 박막과 달리 나노섬유 막은 공기 투과성이 좋아 조립된 센서가 통기성을 가져 웨어러블 전자소자 요건을 충족한다. 셋째, 조립 소자는 기계적 에너지를 전기로 효율 변환해 피크 전력 56.25µW와 장기 작동 안정성을 보인다. 넷째, 웨어러블 센서로 신체 동작뿐만 아니라 호흡, 심박 등 생리 신호를 민감하게 모니터링해 신체 동작 및 건강 모니터링 양쪽 응용 가능성을 보였다.
PTFE 나노섬유 막은 2단계 법으로 제조했다. 먼저 강신 KH1001 전기방사기로 PTFE-PEO 나노섬유 막을 전기방사했다. 전기방사 용액 제조를 위해 18g PTFE 현탁액(60wt%, Aladdin)을 6.0g 탈수에 넣어 균일 현탁액을 만든 후 0.4g PEO(M_w=5×10⁶, Aladdin)를 첨가해 점도 조절했다. 48시간 자기 교반 후 5ml 주사기(스테인리스 니들)에 넣고 25kV 고전압, 1.5mL/h 유속으로 방사했다. 방출 섬유는 200rpm 회전 금속 드럼에 1시간 수집했으며 니들-수집기 거리는 18cm로 고정했다. 제조된 PTFE-PEO 나노섬유 막을 350°C에서 10분간(승온 속도 2°C/min) 상압 열처리해 PTFE 나노섬유 막을 얻었다.
한 면을 접지한 PTFE 나노섬유 막을 코로나 니들 아래 5cm에 두고 고전압원(DW-N503-4ACDE)에 연결된 니들에 -20kV 전압을 5분간 인가했다.
코로나 충전된 PTFE 나노섬유 막을 상온에서 1일 보관(충전 직후 표면 전위 급감 때문)한 후 두 장의 250µm 두께 PET 스페이서 사이에 고정했다. 이후 두 장의 전도성 천 전극 사이에 샌드위치해 유효 면적 4×4cm² 센서 소자를 완성했다.
시료 형태, 조성, 결정성은 FE-SEM(NANOSEM 450), XPS(ESCALab250), FTIR(Vertex 70), XRD(X'Pert Pro MPD)로 분석했다. 표면 전위, 기계적 특성, 압력 강하는 전위차계(EST102), 만능 시험기(REGER RW-T10), 압력 변송기(DP102)로 측정했다. 소자 출력 전류는 스탠퍼드 저잡음 전류 증폭기(Model SR570, NI PCI-6259)로 측정했다. 다양한 부하 저항 테스트 외 모든 측정은 단락 조건에서 수행했다.
PTFE 나노섬유 막은 그림 1a와 같은 2단계 공정으로 제조했다. PTFE는 뛰어난 내화학성으로 어떤 용매에도 녹지 않아 직접 전기방사가 어렵다. 이를 극복하기 위해 수용성 폴리머를 캐리어로 PTFE 입자를 분산시켜 나노섬유 복합체를 전기방사한 후 후열처리로 캐리어를 제거하는 2단계 법이 일반적으로 쓰인다. 본 연구에서는 물에 잘 녹고 녹는점이 낮은 PEO를 캐리어로 사용했다. PTFE 입자 분산 PEO 수용액을 전구체로 전기방사해 직경 500~800nm PTFE-PEO 나노섬유를 얻었다(보충자료 Figure S1). 소량 PEO(전구체 내 PEO/PTFE=1/27)가 PTFE 입자를 완전히 감싸지 못해 제조된 나노섬유는 거친 표면을 보였고 상 조성은 PTFE만 나타났다(보충자료 Figure S1b). 순수 PTFE 나노섬유를 얻기 위해 열처리로 PEO를 제거하고 PTFE 나노입자들을 융합시켰다. 선행 연구에서 PTFE 용융점 ~327°C, ~500°C까지 열안정적임이 보고되어 PTFE 용융점보다 약간 높은 350°C를 선택해 PEO 제거와 PTFE 나노입자 융합으로 연속 나노섬유를 형성했다. 그림 1b처럼 5cm×5cm PTFE 나노섬유 웹을 얻었고, SEM으로 소결 후 섬유 형태가 잘 유지됨을 확인했다(그림 1c). 일부 PTFE 나노섬유 간 연결과 나노섬유 표면 나노입자 소멸로 나노입자 융합을 확인했다(그림 1c 인셋). FTIR로 PEO 성분 제거를 확인했다(그림 1d). 순수 PEO는 841, 947, 1059, 1092, 1342cm⁻¹에서 CH₂, CO 진동 피크를 보였다. 순수 PTFE는 1146, 1201cm⁻¹에서 CF₂ 대칭/비대칭 신축, 512, 554, 639cm⁻¹에서 CF₂ 락킹, 변형, 왜깅 모드 피크를 보였다. 전기방사 PTFE-PEO 막 스펙트럼에서도 PEO 피크가 관찰되었으나(주황 점선), 350°C 소결 후 완전히 사라져 나노섬유 막이 순수 PTFE 조성임을 확인했다.
그림 2는 PTFE 나노섬유 막 특성 분석 결과다. 전구체와 마찬가지로 PTFE 단일 상이다. XRD에서 18.2°, 31.7°에 (100), (110) 면 피크가 나타났다(그림 2a). XPS에서 C 1s(~286eV), F 1s(~685eV) 특성 피크만 보이고 O 1s(~532eV) 피크는 관측되지 않아 열처리로 PEO가 완전히 제거됨을 확인했다(그림 2b). 웨어러블 일렉트렛 센서 적용 적합성 평가를 위해 관련 특성도 측정했다. 그림 2c는 다양한 유량에서 막 투과 시 압력 강하로, 시험 범위에서 유량과 거의 선형 관계이며 값이 매우 작아 필터 마스크와 비교 가능하다[29], 우수한 공기 투과성을 입증한다. 섬유 네트워크 상호 연결로 인장 강도 ~3.8MPa, 파단 신도 220%로 우수한 기계적 특성을 보였다(그림 2d), 웨어러블 전자소자 요건을 충족한다. 그림 2e는 30일간 표면 전위 변화로, 상온 1일 보관 후 -480V에서 -300V로 급감 후 11일간 완만히 감소하다 최종 -270V에서 안정화되었다. 우수한 공기 투과성, 기계적 특성, 안정된 표면 전위는 웨어러블 자가 구동 센싱 응용 잠재력을 보여준다.
전하 저장 능력을 이용해 PTFE 나노섬유 막으로 일렉트렛 NG를 제작했다. 소자 통합 시 공기 투과성 유지를 위해 공기 투과성이 우수한 상용 전도성 천을 전극으로 사용했다(보충자료 Figure S2). 먼저 PTFE 막 양끝을 두 스페이서 사이에 고정하고 두 장의 전도성 카본 천 사이에 샌드위치해 유효 크기 4cm×4cm NG 소자를 만들었다(그림 3a). PTFE 나노섬유의 음성 여분 전하가 상하 전극에 같은 양의 양성 전하를 유도한다(그림 3b). 정적 상태에서는 평형 상태라 전하 이동이 없다. 소자 눌렀다 놓음으로 평형이 깨지면 PTFE 막과 전극 간 간격 변화로 정전용량 변화가 생겨 두 전극 간 전하 재분포가 일어나 외부 회로로 교류 과도 전류가 흐른다. 이 샌드위치 구조 NG 작동 원리는 보고된 아치 구조 NG와 유사하다[17,30]. 하지만 본 연구 NG는 박막 기반 아치 구조 NG나 다른 섬유 기반 NG보다 제작이 훨씬 쉽고 통기성이 좋다[17,30-34].
그림 3c에서 5N, 5Hz 자극 시 피크 전류 ~1.5µA를 보였다. 두 NG를 동일 극성으로 병렬 연결하면 총 출력 전류가 거의 각 소자 합과 같아 기본 회로 연결에서 선형 중첩 기준을 만족함을 보였다[35]. 다양한 힘과 주파수에서 성능을 체계적으로 연구했다. 주파수 고정 시 자극 힘을 1~5N 증가시키면 피크 전류와 전하 이동량(ΔQ) 모두 증가했다(그림 3d, 보충자료 Figure S3a). 5N 이상 힘에서는 ΔQ가 더 이상 증가하지 않았는데, ΔQ는 PTFE 막과 전극 간 간격 변화 진폭에만 의존하며 5N에서 이미 최댓값에 도달했기 때문이다[17]. 또한 정전용량 변화 메커니즘으로 ΔQ는 주파수 변화에도 ~26.9nC로 거의 일정했다(그림 3e). 다만 주어진 자극 힘에서 주파수 증가 시 출력 전류는 증가했다(보충자료 Figure S3b), 같은 전하가 더 짧은 시간에 이동하기 때문이다. 최대 피크 전력 구하려 5Hz, 5N에서 다양한 외부 부하 저항으로 출력 성능을 측정했다(그림 3f). 0.1~10MΩ에서 출력 전류는 거의 변하지 않다가 1000MΩ로 증가 시 ~1.5에서 0.081µA로 감소해 NG 내부 저항이 10~1000MΩ 사이임을 시사했다. 전력 정의 P=I²R로 100MΩ 부하에서 최대 피크 전력 56.25µW를 얻었다. 이에 따라 NG 내부 저항은 ~100MΩ으로 추정된다(최대 전력은 내부 저항과 부하 저항 일치 시 발생)[21]. 마지막으로 5N, 5Hz에서 사이클 안정성을 평가했다(그림 3g). 50k 사이클 동안 출력 전류와 전하 이동량에 뚜렷한 열화 없이 우수한 사이클 안정성을 보였다.
자가 구동 센서로 신체 동작 모니터링 잠재력을 보이기 위해 소자를 편 팔꿈치 관절 위에 고정해 관절 운동을 모니터링했다. 그림 4a는 다양한 굽힘 각도에서 출력 전기 신호로, 30° 작은 굽힘에서도 전류 펄스가 명확히 식별되고 각도 증가에 따라 더 뚜렷해졌다. 그림 4b는 NG 출력과 팔꿈치 굽힘 각도 관계로, 소자 변형이 복잡해 간격 변화와 굽힘 각도를 정량적으로 연관짓기 어려워 수학적 관계만 정립 가능하지만, 전류와 전하의 굽힘 각도 의존성이 관절 운동 상태를 효과적으로 나타내 실시간 모니터링용 자가 구동 센서 잠재력을 입증했다.
신체 동작 모니터링 외에도 인체 특정 부위에 부착해 생리 신호 모니터링용 자가 구동 센서로 활용 가능하다. 예를 들어 복부에 고정하면 호흡 시 복부 수축/팽창이 소자를 자극해 호흡 정보를 주는 전기 신호를 생성한다. 그림 5a에서 분당 ~20회 성인 남성 호흡 리듬과 잘 맞는 6~10nA 피크의 교류 파형이 기록되었다. 가슴이나 손목에 고정하면 심장/동맥 맥동이 주기적 전류 신호를 생성하는데, 이는 심주기 중 혈액 박출로 생기는 미세 기계적 운동을 추적하는 발리스토카디오그래피 원리다[36]. 그림 5b는 남성 가슴 부착 시 20초간 23개 뚜렷한 전류 피크로 분당 ~69회 심박수를 보여주며 건강한 젊은 남성 정상 범위(60~100bpm)[37]에 든다. 또한 신호는 심주기 각 과정 상세 해석이 가능해 심혈관 보조 진단에 유용하다[36,38]. 그림 5c 예시에서 전형적 심주기 3단계(전수축기 F-G-H, 수축기 I-J-K, 이완기 L-M-N)를 전파형이 명확히 추적한다[37]. 심장 근처 대동맥 맥파 측정보다 몸통 말단 동맥 맥박 모니터링이 더 편리하다. 그림 5d는 손목 부착 시 기록된 전류 신호로, 예리한 전류 펄스가 분당 ~72회 요골 동맥 박동 리듬을 기록한다. 그림 5e 확대 보기에서 입사 혈류 피크 P₁과 손 부위 반사 피크 P₂ 두 주요 피크가 구별되며, 이 진폭 비로 요골 동맥 증강 지수(AI_x=P₂/P₁)를 계산할 수 있다[39]. 획득 데이터로 ~54% 통계값을 얻어 33세 남성의 정상 심혈관 상태를 시사했다.
요약하자면, 본 연구는 전기방사 PTFE 나노섬유 막을 고성능 자가 구동 웨어러블 센서 제작에 적합함을 입증했다. PTFE-PEO 수용액 전기방사와 후열처리로 PEO 제거해 PTFE 나노섬유 막을 성공적으로 제조했다. 우수한 공기 투과성, 기계적 특성, 일렉트렛 특성 덕분에 이를 기반으로 한 NG 소자는 기계적 에너지를 전기로 효율 변환해 피크 전력 56.25µW와 장기 사이클 안정성을 보이며 민감한 자가 구동 웨어러블 센서로 활용 가능함을 보였다. 실제로 NG는 신체 동작과 호흡, 심박 등 생물학적 신호를 정량 모니터링하는 우수한 웨어러블 센서임이 입증되어 신체 동작 및 건강 모니터링용 웨어러블 전자소자 응용 잠재력을 시사한다.
본 연구에서 생성된 모든 데이터는 논문과 보충자료에 포함되어 있다.
나노물질
초록 층상이중수산화물은 구조가 잘 조절되면 우수한 에너지 저장 성능을 보일 수 있는 전형적인 슈퍼커패시터 전극 소재다. 본 연구에서는 간단한 일단계 수열법으로 다양한 니켈-코발트 층상이중수산화물(NiCo-LDHs)을 제조했으며, 서로 다른 요소 함량으로 NiCo-LDHs 나노구조를 조절했다. 결과적으로 요소 함량 감소가 NiCo-LDHs 분산성 향상, 두께 조절, 내부 기공 구조 최적화를 통해 정전용량 성능을 높임을 보였다. 니켈(0.06 g) 대 코발트(0.02 g) 질량비 3:1 고정 조건에서 요소 함량을 0.03에서 0.007
데이터 수집은 인류 태초부터 주변 이해 수단이었습니다. 시간, 거리, 온도 측정 등. 생산 라인도 동일: 제조·제품·물류 데이터 무제한 수집으로 의사결정 고도화·가치사슬 전구간 부가가치 창출. 이 역할을 수행하는 장비가 센서(Sensors). 공정 다양성·변화 대응 위해 신뢰성·강건성(Robustness) 필수. 센서란? 생산 라인·물류 등 모든 공정에서 대량 데이터 수집 장치. 기계에겐 감각 기관 역할. 수집 정보로 기계 지능화. 데이터 필터링·해석 필수. 센서는 기계에 보기·감지·통신 능력 부여, 정보 분류·해석. 공정 제어
