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668% 늘어나도 끄떡없는 차세대 자가발전 웨어러블 센서 개발
심박과 호흡, 관절 움직임 등을 배터리 걱정 없이 장기간 측정하는 웨어러블 의료기기와 사람의 피부처럼 외부 자극을 감지하는 전자 피부(Electronic Skin), 부드러운 소재로 만들어 자유롭게 움직이는 소프트 로봇이 한층 현실에 가까워졌다. 우리 대학 연구진이 최대 668%까지 늘어나면서도 안정적인 전기 신호를 생성하는 자가발전 센서(배터리 없이 스스로 전기를 만드는 센서)를 개발했다.
우리 대학은 기계공학과 김미소 교수 연구팀이 기존 압전 섬유 센서(압력이나 움직임을 전기 신호로 바꾸는 섬유형 센서)의 내구성 한계를 극복하고 반복적인 변형에도 안정적으로 작동하는 고신축성 압전 섬유 센서를 개발했다고 18일 밝혔다.
센서의 핵심 소재인 압전 고분자(Piezoelectric Polymer)는 힘을 받으면 전기를 생성하는 특성을 가진 고분자 소재다. 가볍고 유연해 몸에 부착하는 웨어러블 센서에 적합하지만, 기존 압전 섬유 센서는 반복적으로 늘어나거나 구부러질 경우 전기 신호를 수집하는 전극층과 전기를 생성하는 압전층이 손상돼 신호가 약해지는 문제가 있었다. 또한 신축성을 높이기 위해 섬유를 코일 형태로 만들면 더 크게 늘어날 수 있지만, 전기적 안정성을 유지하기 어려웠다.
연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 센서를 이루는 소재부터 전극, 전체 구조까지 여러 단계에서 변형에 강하도록 설계하는 '계층적 복원 설계(Hierarchical Resilient Design)' 전략을 개발했다. 쉽게 말해 고무줄이 반복해서 늘어나도 원래 형태로 돌아오듯, 센서도 반복적인 변형 후 스스로 성능을 유지할 수 있도록 설계한 것이다.
먼저 연구팀은 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.
또한 전기를 모으는 전극과 전기를 생성하는 압전층이 자연스럽게 연결되도록 설계했다. 서로 다른 재질을 강하게 이어 붙여 충격이나 변형에도 쉽게 떨어지지 않도록 한 것으로, 센서가 크게 늘어나거나 구부러져도 안정적인 전기 신호를 유지할 수 있었다.
이 설계를 코일 형태에 적용한 결과 연구팀은 센서를 원래 길이의 약 6.7배인 최대 668%까지 늘리면서도 안정적인 출력을 유지하는 데 성공했다. 개발된 센서는 늘어남, 구부러짐, 눌림 등 다양한 움직임에서도 일정한 전기 신호를 생성했다.
연구팀은 나아가 센서를 코일뿐 아니라 매듭 형태로도 제작해 반복적으로 힘이 가해지거나 갑작스러운 충격이 발생하는 상황에서도 안정적으로 작동함을 확인했다. 또한 인공지능(AI)을 활용해 센서 신호를 분석한 결과, 눌림·구부러짐·늘어남 등 서로 다른 움직임을 정확하게 구분할 수 있었다.
이번 연구는 배터리 없이 작동하면서도 높은 신축성과 장기 안정성을 동시에 갖춘 자가발전 센서 플랫폼을 제시했다는 점에서 의미가 있다. 특히 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. 또한 기기의 경량화와 사용 편의성을 높여 디지털 헬스케어 기기와 전자 피부(Electronic Skin), 소프트 로봇용 감각 센서 등으로 적용 범위가 확대될 전망이다.
김미소 교수는 “이번 연구는 섬유 구조 설계와 전극 계면 공학(서로 다른 소재가 만나는 경계를 제어하는 기술)을 결합해 기계적 복원성과 전기적 신뢰성을 동시에 확보한 것이 핵심 성과”라며 “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 나노공학 및 재료과학 분야 세계적 권위 학술지 ACS Nano(Impact Factor 16.1)에 2026년 3월 10일 자 게재되었다.
※ 논문명 Mechanically and Functionally Resilient Piezoelectric Fiber Coils and Knots for Reliable Self-Powered Sensing, DOI: doi/10.1021/acsnano.5c19628
※ 저자 정보: 최용준 연구원(KAIST 제1저자), 박정훈 박사과정(KAIST, 공동저자), 남지수 박사과정(KAIST, 공동저자), 심기동 교수(KAIST, 공동저자), 김명길 교수(성균관대, 공동저자), 김미소 교수(KAIST, 교신저자)
이 연구는 과학기술정보통신부의 재원으로 한국연구재단 BRIDGE 융합연구개발사업 (RS-2023-00254689), 나노∙소재기술개발사업(RS-2024-00468995) 및 차세대 반도체 대응 미세기판 기술개발사업 (RS-2024-00433654)의 지원으로 수행됐다.
2026.06.18 조회수 1193 -
빛과 AI로 3D 프린팅 더 튼튼하고 경제적으로
치과 치료부터 복잡한 시제품 제작까지 널리 쓰이는 ‘광경화 3D 프린팅’은 빠르고 정밀하지만 충격에 약해 쉽게 파손되는 한계가 있었다. KAIST 연구진이 이 약점을 극복할 수 있는 신기술을 개발, 의료용 보형물부터 정밀 기계 부품까지 한층 튼튼하면서도 경제적으로 제작할 수 있는 길을 열었다.
우리 대학은 기계공학과 김미소 교수 연구팀이 광경화 3D 프린팅의 내구성 한계를 근본적으로 해결할 수 있는 신기술을 개발했다고 29일 밝혔다.
디지털 광 조형(Digital Light Processing, DLP) 기반 3D 프린팅은 빛으로 액체 레진(고분자 중합체)을 굳혀 정밀한 구조물을 빠르게 제조하는 기술로, 치과·정밀 기계 등 다양한 분야에서 활용되고 있다. 기존 사출 성형은 내구성은 뛰어나지만 금형 제작에 많은 시간과 비용이 드는 반면, 광경화 3D 프린팅은 자유로운 형상 구현이 가능하지만 내구성의 약점이 있었다.
김 교수 연구팀은 ▲충격과 진동을 흡수하면서도 고무에서 플라스틱까지 다양한 물성을 구현할 수 있는 신규 광경화 레진 소재와 ▲구조물의 각 부위에 최적 강도를 자동 배치하는 머신러닝 기반 설계 기술을 결합해 문제를 풀어냈다.
연구팀은 ‘동적 결합을 도입한 폴리우레탄 아크릴레이트(PUA)’ 소재를 개발해 기존 소재 대비 충격·진동 흡수 능력을 크게 높였다. 또한 빛의 세기를 조절해 하나의 레진 조성물에서 서로 다른 강도를 구현할 수 있는 ‘회색조 DLP’ 기술을 적용, 구조물 내 부위별 맞춤 강도를 부여하는 데 성공했다. 이는 인체의 뼈와 연골이 다른 역할을 하며 조화를 이루는 원리에서 착안한 것이다.
머신러닝 알고리즘은 구조와 하중 조건을 분석해 최적의 강도 분포를 자동으로 제안한다. 이를 통해 소재 개발과 구조 설계가 유기적으로 연결되며, 맞춤형 강도 분배가 가능해졌다.
경제성 또한 주목할 부분이다. 기존에는 다양한 물성을 구현하기 위해 고가의 ‘다중 재료 프린팅’ 기술이 필요했지만, 이번 기술은 단일 소재와 단일 공정만으로 동일한 효과를 내 생산 비용을 크게 절감한다. 복잡한 장비나 재료 관리가 불필요해지고, AI 기반 구조 최적화로 연구개발 시간과 제품 설계 비용까지 줄일 수 있다.
김미소 교수는 “이번 기술은 소재 물성과 구조 설계의 자유도를 동시에 확장한 것”이라며, “환자 맞춤형 보형물은 더 내구성 있고 편안해지고, 정밀 기계 부품도 더욱 견고하게 제작할 수 있을 것”이라고 설명했다. 이어 “단일 소재·단일 공정만으로 다양한 강도를 구현해 경제성까지 확보한 점이 큰 의미가 있다”며 “향후 바이오메디컬, 항공·우주, 로봇 등 다양한 산업 분야로의 활용이 기대된다”고 덧붙였다.
이번 연구는 KAIST 기계공학과 김미소 교수 연구팀이 주도했으며, KAIST 박사과정 남지수 학생이 제1저자로 참여했다. 성균관대 복신 첸(Boxin Chen) 학생도 공동연구로 기여했다. 연구 결과는 재료과학 분야 세계적 권위 학술지 어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials, IF 26.8)에 7월 16일 자 온라인 게재됐다. 또한 연구의 우수성을 인정받아 학술지 권두 도판(Frontispiece)에도 선정됐다.
※ 논문 제목: Machine Learning-Driven Grayscale Digital Light Processing for Mechanically Robust 3D-Printed Gradient Materials
※ DOI: 10.1002/adma.202504075
본 연구의 성과로 김미소 교수는 2025년 7월 국제 학술 출판사 와일리(Wiley)가 주관하는‘와일리 라이징 스타 어워드(Wiley Rising Star Award)’와 ‘와일리 여성 재료과학상(Wiley Women in Materials Science Award)’을 동시에 수상하며 국제적으로도 많은 주목을 받고 있다.
와일리 라이징 스타 어워드는 향후 학문적 리더로서의 잠재력을 지닌 신진 연구자에게 주어지는 상이며, 와일리 여성 재료과학상은 재료과학 분야에서 탁월한 업적을 이룬 여성 과학자를 기리기 위해 제정된 권위 있는 상이다.
한편 이번 연구는 과학기술정보통신부의 지원을 받아 한국연구재단 BRIDGE 융합연구개발사업, 중견연구자지원사업, 차세대 반도체 대응 미세기판 기술개발사업의 일환으로 수행됐다.
2025.09.29 조회수 4826