스마트 텍스타일용 초고감도·내구성 변형 센서 혁신

미래 스마트 텍스타일이 생존하려면 구성 요소도 탄력 있어야 합니다. 연구진은 텍스타일과 소프트 로봇 시스템에 내장 가능한 초고감도·내구성 변형 센서를 개발했습니다.

스프링(Slinky) 원리 적용한 탄소 섬유 패터닝

연구진은 단단한 금속 실린더가 나선형으로 패터닝되면 신축성을 갖게 되는 스프링과 유사한 디자인을 만들었습니다. 딱딱한 벌크 소재인 탄소 섬유를 '서펜타인 미앤더(serpentine meander)' 패턴으로 가공해 신축성을 부여했습니다. 이 패턴은 뱀이 기어가는 듯한 날카로운 위아래 형태를 띱니다. 패터닝된 전도성 탄소 섬유를 두 개의 예비 변형된 탄성 기판 사이에 샌드위치 구조로 배치했습니다.

접촉 변화로 전기 전도도 변조, 미세 변형도 감지

패터닝된 탄소 섬유 가장자리들이 서로 떨어지며 접촉이 끊어질 때 전체 전기 전도도가 변합니다. 스프링의 개별 나선이 양끝을 당길 때 서로 떨어지는 원리와 같습니다. 이 과정은 미세한 변형에서도 일어나 센서의 높은 감도 비결이 됩니다.

특수 제조 공정·클린룸 불필요, 저비용 구현

실리콘이나 금 나노와이어 같은 특수 소재에 의존하는 기존 고감도 신축 센서와 달리, 이 센서는 특수 제조 기술이나 클린룸이 필요 없습니다. 어떤 전도성 소재로도 제작 가능합니다. 연구진은 메스로 찌르기, 망치로 치기, 자동차로 깔기, 세탁기 10회 돌리기 등 혹독한 테스트를 거쳤으나 센서는 모두 무손상 상태였습니다.

직물 소매에 내장해 손동작 분류 시연

민감도 입증을 위해 센서를 직물 팔 소매에 내장하고 참가자에게 주먹 쥐기, 손 펴기, 집기 동작을 시켰습니다. 센서는 직물을 통해 전완근의 미세한 변화를 감지했고 머신러닝 알고리즘이 이 동작들을 성공적으로 분류했습니다. 이런 소매는 가상현실 시뮬레이션, 스포츠웨어, 파킨슨병 등 신경퇴행성 질환 임상 진단 등에 활용 가능합니다.

저비용·의류 통합 용이, 생체역학·생리 측정 상시 가능

구성 소재와 조립법의 저비용도 차별점입니다. 연구진은 인체와 밀착되는 인터페이스를 제공하므로 의류 통합을 모색 중입니다. 이 센서는 기존 방식으로는 불가능한 하루 종일 생체역학·생리 측정을 가능케 합니다.