"6.7배 늘려도 전기 신호 유지" 고신축성 자가발전 센서 개발

기존 압전 섬유 센서 내구성 한계 개선
반복적 변형에도 원형·전기 신호 유지
차세대 웨어러블 의료기기 등에 활용 기대

최대 6.7배의 신축성을 가진 자가발전 센서가 개발됐다. 센서 자체적으로 전기 신호를 생성, 반복적인 변형에도 성능을 유지할 수 있어 배터리 없이 사용자의 움직임과 압력을 감지하는 웨어러블 의료·전자피부·소프트 로봇 등 분야에서 활용도가 높을 것으로 예상된다.

압전 나노섬유를 기반으로 구현한 코일 형태의 고신축성 센서 활용 이미지(AI 생성). KAIST

KAIST는 기계공학과 김미소 교수 연구팀이 기존 압전 섬유 센서의 내구성 한계를 개선해 반복적인 변형에도 안정성을 유지하는 '고신축성 압전 섬유 센서'를 개발했다고 18일 밝혔다.

압전 섬유 센서는 사용자의 움직임과 압력을 읽어 전기 신호로 바꾸는 역할을 한다. 가볍고 유연한 특성에 신체에 부착해 사용하는 웨어러블 센서에 적용하는 데 적합하다.

다만 기존 압전 섬유 센서는 늘리거나 구부리는 등의 동작을 반복할 때 전기 신호를 수집하는 전기층과 전기를 생성하는 압전층이 손상돼 신호가 약해지는 문제가 생긴다. 섬유를 코일 형태로 만들어 신축성을 높일 수도 있지만, 이때는 전기적 안정성을 유지하기가 어렵다. 신축성과 전기적 안정성을 동시에 충족하는 게 압전 섬유 센서를 제대로 활용하는 데 관건이 되는 셈이다.

연구팀은 기존 압전 섬유 센서가 떠안은 문제를 해결하기 위해 '계층적 복원 설계(Hierarchical Resilient Design)' 전략을 고안했다.

먼저 압전 나노섬유 내부에 고분자 미세 입자를 넣어 입자가 서로 촘촘히 맞물리는 구조를 만들었다. 이는 밸크로(찍찍이)처럼 입자 구조가 서로를 지지하는 효과를 내는 동시에 센서가 반복적으로 변형되더라도 원래의 형태로 되돌아올 수 있게 돕는 역할을 한다.

또 전기를 모으는 전극과 전기를 생성하는 압전층이 자연스럽게 연결되도록 설계해 서로 다른 재질을 강하게 이어 붙여 변형과 외부 충격에도 분리되지 않게 함으로써 센서가 늘어나거나 구부러져도 전기 신호를 안정적으로 유지할 수 있게 했다.

계층적 복원 설계를 코일 형태에 적용했을 때 센서가 본래 길이의 6.7배(최대 668%)까지 늘어나도 전기 신호는 그대로 유지되는 것이 확인됐다.

(왼쪽부터) 김미소 교수, 박정훈 박사과정생, 최용준 연구원, 남지수 박사과정생, 심기동 교수. KAIST

연구팀이 센서를 매듭 형태로 제작했을 때도 결과는 마찬가지였다. 매듭 형태의 센서에 반복적으로 힘을 가하거나 충격을 주더라도 센서 작동에 문제가 발생하지 않았다.

이번 연구는 배터리 없이 작동하면서도 높은 신축성과 장기 안정성을 갖춘 자가발전 센서 플랫폼을 제시했다는 점에서 의미를 갖는다.

무엇보다 반복적인 변형 환경에서도 안정적인 신호 측정이 가능해 심박·호흡·관절 움직임·근육 활동 등 다양한 생체신호를 장기간 모니터링하는 차세대 웨어러블 의료기기 개발에 활용될 것으로 기대된다.

향후에는 기기의 경량화와 사용 편의성을 높여 디지털 헬스케어 기기와 전자 피부(Electronic Skin), 소프트 로봇용 감각 센서 등으로 적용 범위를 확대할 수 있을 것으로 연구팀은 내다본다.

김 교수는 "이번 연구의 핵심 성과는 섬유 구조 설계와 전극계면 공학을 결합해 기계적 복원성과 전기적 신뢰성을 동시에 확보했다는 것"이라며 "개발한 기술이 향후에는 웨어러블 의료기기와 전자 피부, 소프트 로봇용 감각 센서 등에 적용·활용될 수 있을 것으로 기대한다"고 말했다.

한편 이번 연구에는 최용준 KAIST 연구원이 제1 저자로 참여했다. 연구 결과는 최근 나노공학 및 재료과학 분야 국제학술지 'ACS Nano(Impact Factor 16.1)'에 게재됐다.

대전=정일웅 기자 jiw3061@asiae.co.kr