임상규 대구경북과학기술원(DGIST) 에너지환경연구부 책임연구원 연구진이 산사태와 같은 자연재해를 실시간으로 감지할 수 있는 스마트 섬유 센서를 개발했다고 14일 밝혔다.
연구진은 압력을 전기로 바꾸는 '압전' 기술을 활용해 외부 전원이 없어도 작동 가능하도록 했다. 압전 섬유는 누르거나 구부리면 전기를 발생시키는 소재로, 웨어러블 기기나 스마트 섬유 센서, 에너지 수확 장치 등에 활용된다.
이번 연구에서는 새로운 나노 소재인 '주석 티탄산염 나노막대'를 개발하고, 고분자인 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF)와 함께 압전섬유로 만들었다. 이 섬유는 꽃잎처럼 8갈래로 갈라진 단면을 가지며, 이를 두 겹씩 겹쳐 3차원 구조로 직조했다. 이때 섬유 사이에 만들어지는 공기층이 충격 흡수와 압력 전달, 신호 증폭을 돕는다.
개발한 섬유를 이용한 센서는 가로세로 5㎝ 크기에 1N/㎡(단위 면적 당 가해지는 힘)의 압력을 가했을 때 최고 92.8V의 전압과 4.13㎃의 전류를 생성할 수 있었다. 외부 전원 없이도 22개의 발광다이오드(LED)를 점등할 수 있을 만큼 강력한 출력으로, 일상적인 센서 시스템이나 소형 전자장치를 충분히 구동할 수 있는 수준이다. 기존의 평면형 구조보다는 출력이 2배 이상 높다.
연구진은 이 섬유를 활용해 외부 전원 없이도 작동 가능한 블루투스 기반 실시간 산사태 감지 시스템을 구현했다. 외부로부터 가해진 힘을 감지해 무선으로 데이터를 전송할 수 있다. 폭우에 따른 산사태와 같은 재난 징후 감지부터 헬스케어·운동기록 추적까지 다양한 분야에 활용할 수 있다.
임상규 책임연구원은 "이번 연구를 통해 압전섬유의 성능을 높일 수 있는 구조적·비구조적 요인을 규명했다"며 "폭우로 인한 산사태와 같은 다양한 재난에 선제적으로 대응할 수 있는 스마트 감지 기술의 개발에 기여할 수 있다"고 전했다.
이번 연구는 재료과학 분야의 국제 학술지 '어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)' 온라인판에 지난 4월 21일 게재됐다.
참고 자료
Advanced Functional Materials(2025), DOI: https://doi.org/10.1002/adfm.202504271