박재영 교수(전자공학과) 연구팀, 고신축·고통기성 자가발전 웨어러블 센서 개발

- 통기성과 신축성이 뛰어난 나노복합섬유기반 고출력 나노발전기 및 웨어러블 센서 기술 개발 -

- 웨어러블·헬스케어·로보틱스·스포츠·재활·인간-기계 인터페이스(HMI) 등에 폭 넓게 활용 기대 -

- 국제 저명 학술지 와일리 출판의 어드밴스드 에너지 머티리얼즈 표지논문(IF: 26) 게재 -

(좌)박재영 교수, (우)로비우 박사과정

본교 전자공학과 박재영 교수 연구팀이 피부처럼 ‘숨 쉬고 늘어나는’ 차세대 웨어러블 센서를 개발했다. 이번 연구는 성능뿐 아니라 착용감까지 동시에 개선한 기술로, 향후 디지털헬스케어와 인간–기계 인터페이스(HMI) 분야에 큰 변화를 가져올 것으로 기대된다. 연구팀이 개발한 센서는 공유결합유기구조체(Covalent Organic Framework, COF)가 적용된 폴리우레탄 나노섬유를 기반으로 만들어졌고, 피부와 닿는 부분에서 열을 효과적으로 방출하고 땀이 잘 증발하도록 도와, 장시간 착용해도 답답함이 적고 피부 자극을 크게 줄인 것이 특징이다.

최근 마찰전기 나노발전기 기반 웨어러블 센서는 건강관리, 스포츠, 스마트기기 제어 등 다양한 분야에서 다양한 분야에서 활용 가능성이 높아 큰 주목을 받고 있다. 그러나 기존 웨어러블 센서는 공기가 잘 통하지 않고 딱딱한 구조로 되어 있어 오래 착용하면 불편함이나 피부 트러블을 유발하는 문제가 있었다. 이를 해결하기 위해서는 ‘잘 늘어나면서도 공기가 잘 통하는’ 소재가 필수적이지만, 두 가지 특성을 동시에 만족시키는 것은 쉽지 않은 과제로 여겨져 왔다.

통기성과 신축성이 뛰어난 나노복합섬유(PU@TpDq-COF, PVDF-HFP@TPU) 기반 고출력 마찰전기 나노발전기와 무전원 웨어러블 압력 센서 및 그 응용

연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 머리카락보다 훨씬 가는 나노섬유를 만드는 전기방사 공정을 활용했다. 특히, COF라는 다공성 구조 물질을 폴리우레탄에 결합해 전하 저장 능력과 전기적 특성을 크게 향상시켰다. 양(+)의 마찰전기 소재로 PU@TpDq-COF, 음(-)의 마찰전기 층으로 PVDF-HFP@TPU 나노복합섬유를 적용한 고신축·고통기성 마찰전기 나노발전기(SB-TENG)를 개발하였다. TpDq-COF는 우수한 결정 구조와 넓은 표면적, 다공성 구조를 가지며, 이를 폴리우레탄(PU)에 도입함으로써 유전 특성, 표면 전하 밀도, 전하 이동 능력 및 전체 결정성이 향상되었다. 그 결과, 기존 소재 대비 약 16배 높은 출력 성능을 구현하는 데 성공했다.

또한, 서로 다른 소재의 장점을 결합하는 방식으로 신축성 문제도 해결했다. 신축성이 뛰어난 폴리우레탄과 전기적 성능이 우수한 PVDF-HFP를 TPU와 함께 복합화하고, 신축성 전도성 직물 전극을 적용해 센서가 최대 60%까지 늘어나도 안정적으로 작동하도록 설계했다.

통기성 역시 눈에 띄는 성과를 보였다. 수증기 투과율 시험 결과, 이 센서는 일반적인 인체의 땀 배출량을 충분히 처리할 수 있는 높은 수준의 통기성을 나타냈다. 이는 실제 착용 환경에서도 땀이 쉽게 배출되어 쾌적함을 유지할 수 있음을 의미한다. 측정된 수증기 투과율(WVTR)은 19.92 mg·cm⁻²·h⁻¹로 일반적인 인체의 땀 배출량(약 1.2~4.2 mg·cm⁻²·h⁻¹)을 충분히 수용할 수 있다.

이처럼 이번 기술은 기존 웨어러블 센서에서 구현하기 어려웠던 ‘고성능·신축성·통기성’을 동시에 달성한 것이 핵심이다. 특히 외부 전원 없이 움직임만으로 전기를 생성하는 자가발전 방식이기 때문에, 운동 모니터링이나 수어 인식과 같은 다양한 응용에도 활용될 수 있다.

연구팀은 “이번 연구는 웨어러블 센서의 가장 큰 문제였던 착용 불편과 피부 자극을 해결하면서도 성능을 크게 향상시킨 데 의미가 있다”며 “향후 실시간 건강 모니터링, 인간–기계 인터페이스, 소프트 로보틱스 등 다양한 분야로의 확장이 기대된다”고 밝혔다.

Advanced Energy Materials Back 커버 이미지

이번 연구는 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단 중견연구자 지원사업(RS-2024-00351167) 및 한국산업기술진흥원의 산업기술혁신사업(RS-2022-00154983, 저전력 센서와 구동을 위한 자립형전원 센서 플랫폼 개발)으로 수행되었고, 연구 결과는 세계 최고의 에너지 소재 및 소자 전문 저널인 와일리(WILEY) 출판의 어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials, IF: 26) 표지논문으로 게재되었다.

Web link: https://doi.org/10.1002/aenm.202505692