기계공학부 박상민 교수팀이 극한조건에서 위험상황을 신속하게 인식하고 대응할 수 있는 산업안전체계를 위한 웨어러블 센서 및 산업용 IoT(사물인터넷) 모니터링 시스템을 개발했다. 이 센서는 헬멧·장갑·신발 등에 붙여 사용하며, 충돌이나 위험한 상황을 빠르게 감지해 알림을 보내준다. 무겁지 않고 배터리도 필요 없어 활동성 또한 높다.

흔히 산업현장에서 노동자의 안전을 위해 착용하는 추가 보호 장비와 웨어러블 센서는 활동성을 저하시키고, 이로 인해 실시간 비상 정보의 즉각적인 경보가 제한적이다. 이를 해결하기 위해 충격 에너지 흡수 기술과 센서 기술을 결합한 다기능 웨어러블 센서의 개발이 시도되고 있으나, 제작 비효율성과 높은 비용이 여전히 걸림돌이다.

최근에는 마찰전기를 이용한 나노발전기* 기반 센서가 경량성과 다양한 재료 선택이라는 면에서 주목받고 있다. 하지만 이 센서들은 추가적인 전원 없이도 다양한 물리적 자극을 감지할 수 있는 반면, 복잡한 제작 공정과 낮은 내구성으로 활용이 제한적이어서 개선을 위해 내충격성이 뛰어난 웨어러블 센서의 개발과 더불어 스마트 팩토리와 연동되는 통합 감지 시스템의 개발이 필요하다.

* 마찰전기 나노발전기: 대표적으로 기계에너지를 이용해 전기적 발전에 사용하는 소자 중 하나로, 마찰전기 대전현상(서로 다른 물질들이 접촉·분리될 때 일어나는 정전기식 대전현상)과 전기 유도현상을 구동원리로 한다.

이에 박상민 교수팀은 이산화 규소 나노입자 기반의 전단농화유체*를 마찰전기 나노발전기에 적용해 전하 저장 효과를 통해 접촉 시 전기 출력을 키워 센서로서의 감지 성능을 향상시키고, 동시에 에너지 충격 흡수를 높여 적용된 기판 및 사용자를 물리적 자극으로부터 보호할 수 있는 기술 개발에 나서 성공했다.

* 전단농화유체: 전단속도(剪斷速度·shear rate, 유체가 힘을 받았을 때 움직이는 속도)가 증가함에 따라 임계전단속도 이상에서 급격하게 점도가 증가하는 전단농화 현상이 발생하는 비(非)뉴턴 유체. 이러한 특성은 방탄복, 진동 감쇠 등 기계적 에너지를 흡수하는 시스템에 사용된다. 

【전단 농축 및 전하 저장 중간층 기반 전체 에어로졸 스프레이 웨어러블 마찰 전기 센서의 전기 신호 메커니즘 및 센서 성능】

이 장비는 에어로졸 스프레이를 활용해 다양한 형태와 재료의 상용 안전보호구에 훼손 없이 적용해 손쉽게 제작할 수 있다. 마찰전기 나노발전기를 헬멧·장갑·신발 등에 센서로 적용하고 이를 산업용 통신프로토콜인 OPC UA* 기반 산업용 네트워크 시스템과 연동하면 충돌 감지 센서로서 안전 여부를 구분해 알림이 가능하며 다양한 단축메시지를 제공할 수 있는 인간-기계 상호작용 기능을 갖게 된다. 향상된 감지 성능과 에너지 보호 효과를 통해 극한조건의 산업환경에서도 효과적인 쓰임이 예상된다.

* OPC UA: Open platform communications unified architecture의 약자로, 산업용 표준 프로토콜이자 아키텍쳐(서버 네트워크)임.

【전단 농축 및 전하 저장 중간층 기반 전체 에어로졸 스프레이 웨어러블 마찰 전기 센서의 충격 흡수 성능 측정】

이러한 특성은 노동자의 안전보호구뿐만 아니라 로봇·가공기 등 다양한 기기에도 완벽하게 웨어러블 센서로 활용될 수 있을 전망이다. 또한, 이 센서는 배터리가 필요 없는 자체 전원이라는 특징과 무게와 공간 제약이 없다는 점에서 노동자의 활동성 및 설치 제약 없는 범용적인 활용이 기대된다.

특히, 현재 산업환경에서 널리 사용되는 OPC UA를 활용해 IoT 시스템을 구축함으로써 공장 내 다른 센서·액추에이터·PLC·PC와 같은 요소들과 효과적인 연동이 가능하다. 이러한 특징을 기반으로 노동자, 기기, 그리고 모니터링 시스템까지 포괄적인 통신 및 제어가 원활하게 이뤄질 수 있다. 이 시스템은 공장 내 CCTV 및 통신 시스템이 부족한 사각지대를 해소하고, 빠른 통신을 통해 안전한 공장 관리 시스템의 효과적인 구축에 기여할 수 있을 것으로 보인다.

【왼쪽부터 박상민 교수, 박지교 석사과정생, 김백규 석박사통합과정생】

이번 논문은 부산대 기계공학부 박상민 교수와 경희대 기계공학과 최동휘 교수가 공동 교신저자, 부산대 기계공학부 박지교 석사과정생과 김백규 석박사통합과정생이 공동 제1저자로, 과학기술정보통신부 재원의 한국연구재단 지원(연계 신진후속 중견연구) 및 인공지능 기반 적층제조 공정설계 기술 개발 연구와 인공지능 기반 3D 프린팅 공정용 기계 구조 설계 기술 개발 사업의 지원을 받아 수행됐다.

이 같은 연구 성과는 국제 학술지 『Nano Energy』 6월 1일자에 게재됐다.

- 논문 제목: Shear thickening and charge-storing interlayer-based all-aerosol-sprayed wearable triboelectric sensor for industrial wireless human-machine interfaces(무선 인간-기계 인터페이스를 위한 전단 농축 및 전하 저장 중간층 기반 전체 에어로졸 스프레이 웨어러블 마찰 전기 센서)

- 논문 링크: https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.109444 

『Nano Energy』는 해당 논문을 다룬 심사논평에서 “이 센서는 이산화규소를 바탕으로 한 나노입자 기반 전단 농축 및 전하 저장 중간층 덕분에 웨어러블 센서의 충격 흡수 및 자가발전 감지 성능을 크게 향상시킨 것이다. 다양한 웨어러블 기판에서의 제작성과 무선 네트워크의 호환성을 고려하자면 이 연구는 극한조건의 산업환경에서 안전과 인간-기계 상호작용을 향상할 수 있는 실현 가능한 솔루션을 제공하고 있다”고 소개했다. 

* 상단 연구 이미지: 전단 농축 및 전하 저장 중간층 기반 전체 에어로졸 스프레이 웨어러블 마찰 전기 센서 개요

(a) 웨어러블 센서의 포괄적인 묘사 (b) 전단농축 및 전하저장 중간층의 다층 구조 (i) 및 이중 기능성 (ii)
(c) 해당 센서의 산업현장 적용방안. 산업 충돌 감지 (ii) 및 인간-기계 인터페이스 (iii)를 인식하기 위한 산업용 무선 서버 네트워크인 OPC UA를 갖춘 SC-WTS 기반 안전 실시간 모니터링 IIoT 시스템 (i).

[Abstract]

In harsh factory environment, achieving design and deployment of wearable sensor is challenging for foundation of industrial internet of things (IoT) systems. Herein, we introduce an all-aerosol-sprayed impact-resistant wearable triboelectric sensor (SC-WTS) that integrates SiO2 nanoparticle-based shear thickening and a charge-storing (SC) interlayer. This interlayer synergistically enhances both anti-impact and self-powered sensing performances, enabling precise detection with a wide pressure range of 0.25–10 kPa, outstanding linearity of 0.96, and high sensitivity of 21.1 V/kPa. Fabricated using an all-aerosol-spray process, the SC-WTS is highly adaptable to diverse wearable substrates, including Kevlar, leather, and plastic plates, and exhibits excellent impact resistance against low-velocity impacts. By conjugating the in-situ fabrication, outstanding self-powered sensing performance, and superior anti-impact performance, a real-time safety monitoring IIoT system was developed utilizing an industrial wireless server network and open platform communications unified architecture. The system enables supervisors to detect industrial collisions and emergency messages in real time through the triboelectric signals generated by the SC-WTS module, which is embedded in safety clothes of onsite workers. This work provides the practical concept of a WTS based on an SC interlayer with excellent anti-impact and self-powered sensing performance for wireless human-machine interfaces under extreme conditions at industrial sites.

* Reference

- Authors (School of Mechanical Engineering, Pusan National University)

 · First authors: Ji Gyo Park, Baek Gyu Kim

 · Corresponding author: Prof. Sang Min Park

- Title of original paper: Shear thickening and charge-storing interlayer-based all-aerosol-sprayed wearable triboelectric sensor for industrial wireless human-machine interfaces  

- Journal: Nano Energy

- DOI: https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.109444