서혜진 전임연구원(왼쪽부터), 홍성희 전임연구원, 김영광 전임연구원, 임상규 책임연구원. DGIST 제공.

DGIST(총장 이건우) 에너지환경연구부 임상규 박사 연구팀이 산사태 등 자연재해를 실시간으로 감지할 수 있는 스마트 섬유 센서를 개발했다고 14일 발표했다.

이번에 개발한 섬유는 압력을 전기로 바꾸는 압전 기술 기반으로, 3차원 구조를 활용해 성능을 획기적으로 높였다. 또 외부 전원이 없어도 작동 가능한 자가발전 센서 시스템까지 구현했다.

압전섬유는 누르거나 구부리면 전기를 발생시키는 소재로, 웨어러블 기기나 스마트 섬유 센서, 에너지 수확 장치 등에 활용된다. 하지만 기존 섬유 구조에서는 공기층이 많은 데 비해 이 공기층이 성능에 어떤 영향을 주는지 제대로 밝혀지지 않았고, 구조 자체도 출력에 한계가 있었다.

연구팀은 새로운 나노 소재인 주석 티탄산염 나노로드(SnTiO₃NR)를 개발해, 고분자인 PVDF와 함께 압전섬유로 만들었다. 이 섬유는 꽃잎처럼 생긴 8갈래 단면을 가지며, 이를 특수 편직 기술로 두 겹의 층을 겹쳐 만든 3D ‘더블라셀’ 구조로 직조했다. 이 구조는 섬유 사이에 공기층이 형성되며, 충격 흡수와 압력 전달, 신호 증폭을 돕는다.

그 결과, 해당 섬유를 이용한 센서는 5cm×5cm 면적에 1Nm-2의 압력을 가했을 때 최고 92.8V의 전압과 4.13mA의 전류를 생성할 수 있었다. 이는 외부 전원 없이도 22개의 LED를 점등할 수 있을 만큼 강력한 출력으로, 일상적인 센서 시스템이나 소형 전자장치를 충분히 구동할 수 있는 수준이다.

섬유 구조를 바꾸는 것만으로도 성능이 크게 향상될 수 있다는 사실을 보여준다. 기존의 평면형 구조보다 출력이 2배 이상 높아, 고성능 스마트 섬유의 가능성을 열었다.

연구팀은 이 섬유를 활용해 외부 전원 없이도 작동 가능한 블루투스 기반 실시간 산사태 감지 시스템을 구현했다. 외부로부터 가해진 힘을 감지해 무선으로 데이터를 전송할 수 있어, 폭우에 따른 산사태와 같은 재난 징후 감지부터 헬스케어·운동기록 추적까지 다양한 분야에 활용이 가능하다.

임상규 박사는 “이번 연구를 통해 압전섬유의 성능을 높일 수 있는 구조적·비구조적 요인을 규명하였으며, 이를 바탕으로 폭우로 인한 산사태와 같은 다양한 재난에 선제적으로 대응할 수 있는 스마트 감지 기술 개발에 기여할 수 있다”고 강조했다.

이번 연구는 DGIST 기관고유사업의 지원을 통해 수행됐으며, 연구 결과는 재료과학 분야의 국제 권위지 ‘Advanced Functional Materials’ 2025년 4월 21일자 온라인판에 게재되었다.
오경묵 기자