광운대 박재영 교수, 인체정보 측정 가능한 패치센서 개발

광운대학교 박재영 교수 연구팀(전자공학과)은 최근 유연하고 신축성 있는 소재와 나노 공정기술을 이용해 인체의 다양한 물리정보(맥박, 목소리, 걷기, 뛰기 등)와 피부온도를 쉽게 측정할 수 있는 패치센서를 개발했다고 9일 밝혔다.

이번 연구는 여러 개별 센서를 기판에 부착 혹은 통합 패키징 하는 기존 방법과는 달리 하나의 단일 센서로 스트레인(변형)과 온도를 측정하기 위해 흑린과 레이저 조사 그래핀(black phosphorus and laser-engraved graphene; BP@LEG) 합성물 기반의 신소재를 개발, 사용했다.

또한 반복 사용과 인체 부착이 쉽도록 유연하고 신축성 있는 고무소재, SEBS(Polystyrene-block-poly(ethylene-ran-butylene)-block-polystyrene)를 센서 기판으로 사용했다.


최근 유연 패치형 멀티센서는 압력, 변형(스트레인), 온도 같은 여러 개의 물리자극을 감지할 수 있는 웨어러블 의료 및 헬스케어, 전자피부, 로봇, 가전 등에서 폭넓게 활용할 수 있어 다양한 연구가 진행 중이다.

멀티센서는 하나의 칩 혹은 패치로 통합시키는 것이 가장 효율적이지만, 각각의 센서 제작에 사용되는 소재가 다양하고 집적화 제작 공정이 복잡해 수율이 낮고 많은 비용이 소모되는 단점이 있었다. 이에 각각의 자극을 분리된 신호로 나눠 사용하는 다중 변수 센서들이 일반적으로 사용됐다.

지금까지 보고된 패치센서의 경우, 민감도는 우수하지만 넓은 스트레인(변형) 범위까지 측정이 어렵고 장시간 및 반복 사용 시 신뢰성과 안정성에 문제가 있었다.

이번 연구에서는 레이저 빔 조사를 통해 쉽게 만든 그래핀에 흑린을 브리징(bridging) 소재로 사용해 센서의 민감도, 스트레인의 측정 범위, 신뢰성과 안정성을 크게 향상시켰다.

또한 온도가 변함에 따라 전류가 흐르는 열전효과와 변형에 따라 저항이 변하는 압전효과를 이용해 온도와 압력을 함께 측정할 수 있는 하이브리드 센서를 성공적으로 개발했다. 이는 웨어러블 스마트 의료 및 헬스케어, 로봇, 스포츠, 국방 산업에 폭넓게 활용 가능한 핵심 기술로 평가받고 있다.

박 교수 연구팀이 개발한 하이브리드 유연·신축 패치센서는 8,106K의 열 지수와 19 % 변형에 대해 2,765의 변형 민감도, 0.023 %의 낮은 검출 한계, 18,400 사이클에 걸쳐 안정적인 응답으로 뛰어난 전기 기계 성능을 보였다.


이와 함께 연구팀은 제작된 센서를 이용, 미세한 정맥 맥박 및 목소리와 같은 작은 변형부터 걸음걸이와 뛰기와 같은 큰 변형과 피부온도를 측정하는 실험을 성공적으로 완료했다.

한편 이번 연구는 한국연구재단 중견연구과제 (NRF-2020R1A2C2012820)와 바이오의료기술개발사업 (NRF-2017M3A9F1031270)의 지원을 받아 수행됐다. 연구성과는 세계 최고의 소재 및 소자 연구 전문저널인 와일리(WILEY) 출판의 어드밴스드펑셔널머티리얼즈 (Advanced Functional Materials, IF: 16.836) 2021년도 3월호에 게재 및 표지논문으로 선정됐다.