광운대 박재영 교수팀, 웨어러블 유연 압저항 센서 개발

광운대학교는 최근 박재영(사진 왼쪽) 교수팀이 맥박, 심박수, 호흡, 발성 등 인체의 크고 작은 다양한 생체신호의 감지 및 실시간 모니터링이 가능한 웨어러블 유연 압저항 센서를 개발했다고 29일 밝혔다.


기존 센서에 비해 넓은 선형범위의 압력(0-50kPa)에서 초고감도와 초저검출한계 등이 가능해 웨어러블 스마트 의료·헬스케어, 전자피부, 휴머노이드 로봇, 메타버스 등에 폭넓게 활용될 것으로 기대된다.

최근 4차 산업혁명의 도래와 함께 스마트센서 제품 수요가 급증하고 있다. 특히 고성능의 웨어러블 유연 압력센서 기술에 대한 관심이 크게 증대되고 있다.

박 교수 연구팀은 폴리아크릴로니트릴, 셀룰로오스, 멕신(MXene)을 혼합한 용액과 전기방사 기술을 이용해 나노섬유를 제작하고, 고온에서 탄화시켜 전도성을 갖는 탄소나노섬유를 개발했다.

셀룰로오스와 멕신의 활용은 가교 및 H-결합 형성을 통해 폴리머 백본을 강화한다. 또 제자리 중합 증착 기술 (in-situ polymerization)을 적용, 탄소나노섬유의 전체 표면에 전도성고분자 (PANI)-나노스파인 구조체를 고르게 형성한 멤브레인을 만들었다.


박 교수팀은 3개의 멤브레인 (반경: 0.5 cm, 두께: 300 μm)을 적층하고 두 개의 유연 전극 층 사이에 삽입한 후 센서의 가장자리 부분을 접착하는 공정으로 고성능 유연 저항형 압력센서 개발에 성공했다.

탄소나노섬유 표면에 형성한 PANI-나노스파인 구조는 기존 마이크로-나노구조에 비해 더 큰 표면 거칠기와 접촉 면적을 형성해 더 큰 차이의 저항을 생성, 압력 감도를 크게 향상했다. 탄소나노섬유 멤브레인의 적층형 구조는 기존의 필름 형태와 달리 더 큰 압축성과 더 낮은 점탄성을 띄어 보다 넓은 선형 압력 범위를 측정할 수 있게 됐다.

두 가지의 기하학적(적층적 섬유 구조와 PANI-나노스파인) 시너지를 활용해 제작된 유연 압력센서는 0-50 kPa이라는 넓은 측정 압력 범위에서 179.1 kPa-1의 초고감도와 1.2 Pa의 낮은 압력을 구별할 수 있었다. 또 1만 회 이상의 연속 반복 실험에서도 성능이 저하되지 않는 우수한 내구성을 보였다.

아울러 실시간 연속 맥박 신호 모니터링을 통한 심혈관 질환 진단을 위해 감지된 신호를 모바일 플랫폼으로 전송하는 시스템도 개발했다.

한편 이번 연구는 한국 연구재단 바이오의료기술개발사업(NRF-2017M3A9F1031270)과 중견연구과제(NRF-2020R1A2C2012820)의 지원을 받아 진행됐다.

연구 성과는 세계 최고의 나노 소자 및 에너지 전문 저널인 엘시비어의 '나노에너지'(Nano Energy, IF:17.88)에 게재됐다.