공과대학 기계공학부 최승태 교수 연구팀, 열인발 공정 기반 동축 압전 PVDF 섬유 대량생산 기술 개발
공과대학 기계공학부 최승태 교수 연구진이 피복(被覆, cladding)을 사용하지 않고 반결정성 고분자를 연속 인발(Thermal Drawing)할 수 있는 무피복 공정을 개발하고, 이를 통해 웨어러블 센서용 고성능 동축 압전 PVDF 섬유를 릴투릴(Reel-to-reel) 방식으로 대량생산할 수 있는 제조 플랫폼을 구현했다.
열인발 공정은 거시적인 프리폼(Preform)의 단면 구조를 그대로 유지한 채 수백 미터 길이의 기능성 섬유를 연속으로 뽑아낼 수 있는 확장성 높은 제조 기술이다. 그러나 그동안 두 가지 병목이 활용을 제약해 왔다.
첫째는 반결정성 고분자 인발의 어려움이다. PVDF(Polyvinylidene Fluoride)와 같은 반결정성 고분자는 용융 시 점도가 급격히 떨어져 인발 중 끊어지기 쉬워, 형태 유지를 위한 피복이 필수적으로 쓰여 왔다. 그런데 피복은 인발 후 제거 공정을 요구하고, 코로나 방전 분극(Poling) 같은 연속 후처리를 가로막아 대량생산의 걸림돌이 되어 왔다. 특히 PVDF 압전 섬유는 인발 시 인장 응력으로 비극성 α상이 극성 γ상으로 전환되며 압전성을 띠는데, 성능을 끌어올리려면 분극이 필요함에도 절연성 피복이 이를 막았다.
둘째는 열인발에 쓸 수 있는, 유연하면서도 전도성이 높은 전극이 없었다는 점이다. 그 결과 유연 압전 섬유는 웨어러블 센서·헬스케어 모니터링·스마트 텍스타일의 핵심 소재로 주목받으면서도 실험실 수준의 소량 제작에 머물렀다.
연구진은 이 두 병목을 각각의 해법으로 풀었다. 먼저 전단 유변학(Shear rheometry)으로는 포착하기 어려운 인장 변형과 파단 거동을 직접 관찰하는 열연신(Thermal Elongation, TE) 시험법을 고안해, PVDF가 안정적으로 늘어나는 좁은 온도·하중 조건(155 ℃ 부근)을 찾아냄으로써 피복 없는 인발에 성공했다. 또한 나일론 단섬유에 은 나노와이어(Silver Nanowire, AgNW)를 코팅해 약 17 Ω/cm의 전도성과 유연성을 동시에 갖춘 코어 전극을 개발하고 이를 인발과 동시에 섬유 중심으로 공급했다. 이렇게 만든 섬유는 분극, 외부 전극 딥코팅, 보호층 다이코팅까지 끊김 없이 연속 처리되어 릴투릴 대량생산이 가능한 동축 압전 섬유로 완성됐다.
완성된 섬유는 0.5% 인장 변형률에서 9.4 V의 높은 출력 전압을 기록해 기존 방식으로 제작된 PVDF 섬유(수백 mV~약 2V)를 크게 웃돌았으며, 1mm 곡률 반경에서 1만 회 굽힘 시험 후에도 초기 성능의 약 87%를 유지하는 우수한 기계적 내구성을 보였다. 연구진은 이 섬유를 면장갑에 직접 봉제해 손가락 움직임을 실시간으로 감지하는 스마트 글러브를 시연함으로써 웨어러블 센서로서의 실용성을 입증했다.
이번 연구에는 이종석 박사과정(제1 저자), Thinh Tam Luong 석사, 허남훈 박사과정, 이승민 석사, Quang Van Duong 박사가 참여하고 인정빈 교수, 이상민 교수, 장승환 교수, 최승태 교수(교신저자)가 지도했으며, 피인용지수(IF, Impact Factor) 15.5의 네이처 파트너 저널(Nature Partner Journals)인 『npj Flexible Electronics』(JCR 상위 1.5%)에 2026년 5월 21일 온라인 게재됐다.
최승태 교수는 "이번 연구는 피복 없이도 반결정성 고분자를 연속적으로 인발할 수 있음을 입증하는 동시에, 열인발에 활용할 수 있는 유연하면서도 전도성이 높은 전극을 개발해 인발부터 분극과 코팅에 이르는 전 공정을 하나의 릴투릴 생산 라인으로 통합했다는 점에서 의미가 크다"며 "앞으로 압전 소자를 넘어 다양한 기능성 섬유를 대량생산하는 데 폭넓게 활용되어 웨어러블 전자소자의 상용화를 앞당길 것으로 기대한다"고 전했다.
한편 이번 연구는 한국연구재단의 나노소재기술개발사업과 한국산업기술기획평가원의 알키미스트프로젝트의 지원을 받아 수행됐다.
▷ 논문정보: Cladding-free thermal drawing for scalable reel-to-reel manufacturing of piezoelectric coaxial polyvinylidene fluoride fibers, npj Flexible Electronics (DOI: https://doi.org/10.1038/s41528-026-00590-0)
열인발 공정은 거시적인 프리폼(Preform)의 단면 구조를 그대로 유지한 채 수백 미터 길이의 기능성 섬유를 연속으로 뽑아낼 수 있는 확장성 높은 제조 기술이다. 그러나 그동안 두 가지 병목이 활용을 제약해 왔다.
첫째는 반결정성 고분자 인발의 어려움이다. PVDF(Polyvinylidene Fluoride)와 같은 반결정성 고분자는 용융 시 점도가 급격히 떨어져 인발 중 끊어지기 쉬워, 형태 유지를 위한 피복이 필수적으로 쓰여 왔다. 그런데 피복은 인발 후 제거 공정을 요구하고, 코로나 방전 분극(Poling) 같은 연속 후처리를 가로막아 대량생산의 걸림돌이 되어 왔다. 특히 PVDF 압전 섬유는 인발 시 인장 응력으로 비극성 α상이 극성 γ상으로 전환되며 압전성을 띠는데, 성능을 끌어올리려면 분극이 필요함에도 절연성 피복이 이를 막았다.
둘째는 열인발에 쓸 수 있는, 유연하면서도 전도성이 높은 전극이 없었다는 점이다. 그 결과 유연 압전 섬유는 웨어러블 센서·헬스케어 모니터링·스마트 텍스타일의 핵심 소재로 주목받으면서도 실험실 수준의 소량 제작에 머물렀다.
연구진은 이 두 병목을 각각의 해법으로 풀었다. 먼저 전단 유변학(Shear rheometry)으로는 포착하기 어려운 인장 변형과 파단 거동을 직접 관찰하는 열연신(Thermal Elongation, TE) 시험법을 고안해, PVDF가 안정적으로 늘어나는 좁은 온도·하중 조건(155 ℃ 부근)을 찾아냄으로써 피복 없는 인발에 성공했다. 또한 나일론 단섬유에 은 나노와이어(Silver Nanowire, AgNW)를 코팅해 약 17 Ω/cm의 전도성과 유연성을 동시에 갖춘 코어 전극을 개발하고 이를 인발과 동시에 섬유 중심으로 공급했다. 이렇게 만든 섬유는 분극, 외부 전극 딥코팅, 보호층 다이코팅까지 끊김 없이 연속 처리되어 릴투릴 대량생산이 가능한 동축 압전 섬유로 완성됐다.
완성된 섬유는 0.5% 인장 변형률에서 9.4 V의 높은 출력 전압을 기록해 기존 방식으로 제작된 PVDF 섬유(수백 mV~약 2V)를 크게 웃돌았으며, 1mm 곡률 반경에서 1만 회 굽힘 시험 후에도 초기 성능의 약 87%를 유지하는 우수한 기계적 내구성을 보였다. 연구진은 이 섬유를 면장갑에 직접 봉제해 손가락 움직임을 실시간으로 감지하는 스마트 글러브를 시연함으로써 웨어러블 센서로서의 실용성을 입증했다.
이번 연구에는 이종석 박사과정(제1 저자), Thinh Tam Luong 석사, 허남훈 박사과정, 이승민 석사, Quang Van Duong 박사가 참여하고 인정빈 교수, 이상민 교수, 장승환 교수, 최승태 교수(교신저자)가 지도했으며, 피인용지수(IF, Impact Factor) 15.5의 네이처 파트너 저널(Nature Partner Journals)인 『npj Flexible Electronics』(JCR 상위 1.5%)에 2026년 5월 21일 온라인 게재됐다.
최승태 교수는 "이번 연구는 피복 없이도 반결정성 고분자를 연속적으로 인발할 수 있음을 입증하는 동시에, 열인발에 활용할 수 있는 유연하면서도 전도성이 높은 전극을 개발해 인발부터 분극과 코팅에 이르는 전 공정을 하나의 릴투릴 생산 라인으로 통합했다는 점에서 의미가 크다"며 "앞으로 압전 소자를 넘어 다양한 기능성 섬유를 대량생산하는 데 폭넓게 활용되어 웨어러블 전자소자의 상용화를 앞당길 것으로 기대한다"고 전했다.
한편 이번 연구는 한국연구재단의 나노소재기술개발사업과 한국산업기술기획평가원의 알키미스트프로젝트의 지원을 받아 수행됐다.
▷ 논문정보: Cladding-free thermal drawing for scalable reel-to-reel manufacturing of piezoelectric coaxial polyvinylidene fluoride fibers, npj Flexible Electronics (DOI: https://doi.org/10.1038/s41528-026-00590-0)