고무줄처럼 6.7배까지 늘어나도 안정적으로 작동하는 배터리 없는 차세대 웨어러블 센서가 국내 연구진에 의해 개발됐다.
KAIST는 기계공학과 김미소 교수 연구팀이 기존 압전 섬유 센서의 내구성 한계를 극복하고, 반복적인 변형에도 안정적으로 작동하는 고신축성 압전 섬유 센서를 개발했다고 18일 밝혔다.
이 센서는 압력이나 움직임을 전기 신호로 바꾸는 압전 고분자 소재를 핵심으로 한다. 가볍고 유연해 피부 부착형 웨어러블 센서에 적합하지만, 기존 기술은 반복해서 늘리거나 구부리면 전극층과 압전층이 손상돼 신호가 저하되는 문제가 있었다.
연구팀은 '계층적 복원력 설계' 전략을 통해 이 문제를 해결했다. 압전 나노섬유 내부에 고탄성 고분자 미세입자를 넣어 벨크로처럼 서로 맞물리는 지지 구조를 만들어, 반복적인 변형 후에도 원래 형태로 쉽게 복구되도록 했다.
또한 전기를 모으는 전극과 전기를 만드는 압전층이 매끄럽게 연결되도록 계면을 설계했다. 서로 다른 소재를 강하게 결합시켜 충격이나 변형에도 쉽게 분리되지 않게 함으로써, 큰 움직임에도 안정적인 전기 신호를 유지할 수 있게 했다.
이 설계를 코일 구조에 적용한 결과, 센서를 원래 길이의 약 6.7배(668%)까지 늘려도 안정적인 출력을 유지하는 데 성공했다. 개발된 센서는 늘림, 구부림, 누름 등 다양한 움직임에도 일관된 전기 신호를 생성했다.
연구팀은 센서를 코일뿐 아니라 매듭 형태로도 제작해 반복적인 힘이나 갑작스러운 충격에도 안정적으로 작동하는 것을 확인했다. 특히 인공지능(AI)으로 센서 신호를 분석해 누름, 구부림, 늘림 등 서로 다른 움직임을 정확하게 구분해내는 데도 성공했다.
이번 연구는 배터리 없이 높은 신축성과 장기적 안정성을 동시에 확보한 자가발전 센서 플랫폼을 제시했다는 점에서 의미가 크다. 심박수, 호흡, 관절 움직임 등 다양한 생체 신호를 장기간 모니터링하는 차세대 웨어러블 의료기기 개발에 활용될 전망이다.
김미소 교수는 "섬유 구조 설계와 전극 계면 공학 기술을 결합해 기계적 복원력과 전기적 신뢰도를 동시에 확보한 것이 이번 연구의 핵심 성과"라며 "향후 장시간 착용이 필요한 웨어러블 의료기기나 전자피부, 소프트 로봇의 감각 센서 등에 적용될 것으로 기대한다"고 말했다.
이번 연구 결과는 나노기술 및 재료과학 분야의 세계적인 학술지 'ACS 나노'(ACS Nano)에 지난 3월 10일 게재됐다.