섬유로 만든 압전센서 유연성 6배…1만회 접어도 "이상무"

배터리 걱정없는 압전섬유센서가 개발됐다. 섬유로 만들어 최대 6배까지 늘어난다. 전자피부나 소프트 로봇 제작 등에 활용 가능할 전망이다. 기술 개발은 김미소 KAIST 기계공학과 교수 연구팀이 수행했다. 기존 압전 섬유 센서 내구성을 훨씬 뛰어넘는다. 1만회 반복 작업에도 성능저하가 없는 것이 확인됐다. 핵심은 코일에 리프와 그리프 매듭 기법을 응용한 것. 리프 매듭은 잎이 겹쳐진 것처럼 납작하게 계속 잇는 구조고, 그리프 매듭은 강하게 움켜쥐듯 고정하는 결속 방식이다. 연구팀은 먼저 압전 나노섬유 내부에 탄성 고분자 미세 입자를 넣어 서로 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. 연구팀이 이를 통해 유연성과 고정력 및 전기신호에 대한 안정성을 확보한 것. 실험결과 센서는 원래 길이의 약 6.7배인 최대 668%까지 늘어나도 정상 출력이 이루어졌다. 연구팀은 이 센서가 생체신호 모니터링이나 디지털 헬스케어 기기, 전자 피부, 소프트 로봇용 감각 센서 등에 적용 가능할 것으로 내다봤다. 오는 8월 미국 일리노이대학교 대학원 입학(박사과정)을 앞둔 논문 제1저자 최용준 연구원은 "기존에는 메탈로 만든 평면형 센서가 주류였는데, 이는 로봇 등에 활용하기에는 유연성 등에 문제가 있었다"며 "5년 뒤 상용화가 목표"라고 설명했다. 논문 제3저자인 남지수 박사과정생은 "1만회 구부림 테스트에서도 정상 작동했다"고 말했다. 그는 또 "섬유 소재는 고분자 PVDF-TrFE (폴리비닐리덴 플루오라이드-트리플루오로에틸렌)을 사용했다. 이를 50회 꽈서 코일을 제작했다"며 "현재 연구실에서 화이버센서 연구만 5년 진행했다. 특허 등은 출원했는데, 중장기적 관점에서 사업화를 계획하고 있는 것으로 안다"고 답했다. 김미소 교수는 “기계적 복원성과 전기적 신뢰성을 동시에 확보했다"며 "향후 소프트 로봇용 감각 센서 등 다양한 분야에 활용될 것으로 기대한다"고 전했다. 연구결과는 나노공학 및 재료과학 분야 국제 학술지 'ACS 나노(IF16.1)에 게재됐다.