한국과학기술원(KAIST·총장 이광형)이 최대 668%까지 늘어나면서도 안정적인 전기 신호를 생성하는 자가발전 센서를 개발했다.
KAIST는 김미소 기계공학과 교수팀이 기존 압전 섬유 센서(압력이나 움직임을 전기 신호로 바꾸는 섬유형 센서) 내구성 한계를 극복하고 변형에도 안정적으로 작동하는 고신축성 압전 섬유 센서를 개발했다고 18일 밝혔다.
핵심 소재인 압전 고분자는 힘을 받으면 전기를 생성한다. 가볍고 유연해 웨어러블 센서에 적합하지만, 반복적으로 늘어나거나 구부러질 경우 전기 신호를 수집하는 전극층과 전기를 생성하는 압전층이 손상돼 신호가 약해지는 문제가 있었다.
신축성을 높이기 위해 섬유를 코일 형태로 만들면 크게 늘어날 수 있지만, 전기적 안정성은 유지하기 어려웠다.
연구팀은 소재부터 전극, 전체 구조까지 여러 단계에서 변형에 강하도록 설계하는 '계층적 복원 설계' 전략을 개발했다. 압전 나노섬유 내부에 탄성 고분자 미세 입자를 넣어 촘촘하게 맞물리는 구조를 만들었다. 이는 벨크로(찍찍이)처럼 구조들이 서로 지지해주는 효과를 내며, 센서가 반복적으로 늘어나더라도 원래 형태로 회복할 수 있게 돕는다.
또 전기를 모으는 전극과 전기를 생성하는 압전층이 자연스럽게 연결되도록 설계했다. 서로 다른 재질을 강하게 이어 붙여 충격이나 변형에도 쉽게 떨어지지 않도록 했다.
이 설계를 코일 형태에 적용한 결과 연구팀은 센서를 최대 668%까지 늘리면서도 안정적인 출력을 유지하는 데 성공했다. 늘어남, 구부러짐, 눌림 등 다양한 움직임에서도 일정한 전기 신호를 생성했다.
김미소 교수는 “향후 장기간 착용이 필요한 웨어러블 의료기기와 전자 피부, 소프트 로봇용 감각 센서 등에 적용돼 보다 정확하고 지속적인 생체신호 모니터링을 가능하게 할 것으로 기대한다”고 말했다.
최용준 연구원이 제1저자로 참여한 이번연구 결과는 ACS Nano에 3월 10일 자 게재됐다.
김영준 기자 kyj85@etnews.com
