KAIST, 6.7배 늘어나도 신호 유지하는 압전 섬유 센서 개발

김미소 교수팀, 코일·매듭 구조와 구배 전극으로 내구성 한계 해결

원래 길이의 668%까지 늘려도 안정적 전기 출력 확인

웨어러블 의료기기·전자 피부·소프트 로봇 적용 기대

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

KAIST(총장 이광형)는 기계공학과 김미소 교수 연구팀이 원래 길이의 6.7배인 최대 668%까지 늘어나도 안정적으로 전기 신호를 만드는 고신축성 압전 섬유 센서를 개발했다고 18일 밝혔다.

배터리 없이 움직임과 압력만으로 전기를 만드는 자가발전 방식이어서, 장시간 부착하는 웨어러블 의료기기에 활용 될 수 것으로 보인다.

압전 고분자는 힘을 받으면 전기를 만드는 소재다. 가볍고 유연해 몸에 붙이는 센서에 적합하다. 다만 기존 압전 섬유 센서는 반복적으로 늘어나거나 구부러지면 전기를 모으는 전극층과 전기를 만드는 압전층이 손상돼 신호가 약해지는 한계가 있었다. 신축성을 높이려고 섬유를 코일 형태로 감으면 더 크게 늘릴 수 있지만 전기적 안정성을 유지하기는 더 어려웠다.

연구팀은 소재부터 전극, 전체 구조까지 여러 단계에서 변형에 강하도록 설계하는 ‘계층적 복원 설계’ 전략으로 이 문제에 접근했다. 고무줄이 반복해 늘어나도 원래 형태로 돌아오듯, 센서도 변형 후 스스로 성능을 회복하도록 한 것이다.

구체적으로는 압전 나노섬유 안에 탄성 고분자 미세 입자를 넣어 구조가 서로 맞물리게 했다. 벨크로처럼 서로 지지하는 효과를 내 센서가 늘어난 뒤에도 원래 형태로 돌아온다. 또 전극과 압전층의 서로 다른 재질을 점진적으로 이어 붙여, 크게 늘리거나 구부려도 두 층이 쉽게 떨어지지 않고 신호를 유지하도록 했다.

이 설계를 코일 형태에 적용해 최대 668% 신장 조건에서도 안정적인 출력을 확인했다. 센서는 늘어남·구부러짐·눌림 등 다양한 움직임에서 일정한 전기 신호를 냈다.코일뿐 아니라 매듭 형태로 만들어 충격이 가해지는 상황에서도 작동했다. 인공지능(AI)으로 신호를 분석한 결과 눌림·구부러짐·늘어남을 정확히 구분하는 것도 가능했다.

연구팀은 이 기술이 심박·호흡·관절 움직임·근육 활동 등 생체신호를 장기간 모니터링하는 웨어러블 의료기기로 이어질 수 있다고 설명했다. 디지털 헬스케어 기기와 전자 피부, 소프트 로봇용 감각 센서로도 적용 범위를 넓힐 수 있을 것으로 내다봤다.

최용준 연구원이 제1저자로 참여한 이번 연구 결과는 나노공학·재료과학 분야 학술지 ‘ACS Nano’에 2026년 3월 10일 자로 실렸다. 연구는 과학기술정보통신부 재원으로 한국연구재단 BRIDGE 융합연구개발사업 등의 지원을 받았다.

김 교수는 “이번 연구는 섬유 구조 설계와 전극 계면 공학을 결합해 기계적 복원성과 전기적 신뢰성을 동시에 확보한 것이 핵심 성과”라며 “장기간 착용이 필요한 웨어러블 의료기기와 전자 피부, 소프트 로봇용 감각 센서에 적용돼 더 정확하고 지속적인 생체신호 모니터링을 가능하게 할 것”이라고 말했다.