열 인발 공정을 이용한 유연 섬유형 온도 센서 개요. 사진제공=KAIST
KAIST 바이오및뇌공학과 박성준 교수KAIST는 바이오및뇌공학과 박성준 교수 연구팀이 열인발공정(TDP·Thermal Drawing Process)을 이용한 수백m 길이의 섬유(파이버)형 온도 센서를 개발했다고 20일 밝혔다.
열인발공정이란 열을 이용해 큰 구조체를 말랑말랑하게 만든 후, 빠른 속도로 당겨 복잡한 구조체와 같은 모양 및 기능의 파이버를 뽑아내는 일 또는 가공하는 것을 말한다.
의복에 쉽게 적용되는 섬유/직물형 온도 센서는 편하게 온도를 측정할 수 있다는 편리성 때문에 주목받고 있으나 기존 센서를 만드는 제작방법(코팅, 스피닝 등)의 경우는 대량생산이 어렵고 구조/재료가 단순할 수 밖에 없기 때문에 물리,·화학적 안정성을 높이기 위해서 여러 추가적인 과정을 거쳐야 한다는 문제점이 있었다.
박성준 교수 연구팀은 문제 해결을 위해 이번 연구에서 ‘고분자-나노물질 복합체’재료와 ‘열인발공정’방법을 이용했다. 열을 가하면 녹는 고분자와 온도가 바뀌면 저항이 바뀌는 나노입자를 혼합하여 복합체를 제작하고 이를 유연하고 안정적인 폴리에틸렌 시트에 감싸 원기둥 모양의 구조체를 완성했다.
이후 연구팀은 큰 구조체에 열을 가하면서 당기면 크기가 줄어들며 섬유 형태로 변하는 열인발공정을 이용해 얇고 유연하며 물리·화학적 안정성이 높은 섬유형 온도 센서를 수백m 길이로 대량 생산하는 데 성공했다.
제작된 섬유의 경우 센서를 보호할 수 있는 얇은 보호층이 포함된 상태에서 한번에 인발된다. 보호층의 효과로 센서는 1000회의 온도 자극과 굽힘 자극에도 성능이 변하지 않았고 다양한 화학물질과 습도에 노출되어도 안정성을 유지했다. 심지어 100회의 세탁을 진행했을 때도 뛰어난 안정성을 가지고 있음이 확인됐다.
섬유형 온도 센서를 실제 직물에 직조해 착용 한 결과 연구팀은 실제 온도와 일치하게 체온을 측정할 수 있었고 걷는 등의 활동에도 신호의 잡음 없이 온도를 잘 측정할 수 있음을 확인했다. 또한 연구팀은 장갑에 센서를 직조함으로써 접촉하는 물질 온도를 측정하는 전자 피부로서의 가능성도 보여줬다.
이번 연구 결과는 국제 학술지 ‘어드벤스드 파이버 머터리얼스(Advanced Fiber Materials, 직물(textile)분야 JCR 상위 1.92% 저널)’에 2023년 6월 12일자로 출판됐다.
박성준 교수는 “향후 온도뿐만 아니라 다양한 요소를 동시에 감지할 수 있는 열인발공정 기반 섬유/직물형 센서 개발이 기대된다?며 ”이는 스마트 의류 속에 결합함으로써 헬스케어 분야 뿐만 아니라 VR/AR, 메타버스, 실생활 통신 분야 등과 접목될 수 있을 것?이라고 말했다.
