박재영 광운대 교수팀, 광대역 고성능 유연 압력센서 개발

광대역 고성능 유연 압력센서 패치를 개발한 박재영 광운대 전자공학과 교수(왼쪽)와 수딥 박사과정생./사진제공=광운대

광운대학교는 최근 박재영 전자공학과 교수 연구팀이 인체의 다양한 생체신호를 모니터링할 수 있는 광대역 고성능 유연 압력센서 패치를 개발했다고 11일 밝혔다.

박 교수팀은 그래핀-고분자 나노복합 전해질(Graphene-polymer Nanocomposite Electrolyte, GNE) 필름과 이온성 나노섬유막(Ionic Nanofibrous Membrane, INM)을 이용해 초고감도와 넓은 압력의 선형성을 갖는 유연 초정전용량형 압력센서(Supercapacitive Pressure Sensor, SPS)를 개발했다.


연구진은 폴리아닐린 변형 나노다공성 탄소 통합 레이저 유도 그래핀 전극에 IL 혼합 폴리(비닐리덴 플루오라이드-코-헥사플루오로프로필렌) 폴리머 전해질을 증착해 GNE 필름을 제작했다. 이들은 고분자(폴리머) 전해질 혼합물을 나노다공성 그래핀 전극에 직접 도포함으로써 넓은 표면적을 확보했다.

또한 이온 농도가 낮은 INM 유전체를 두 개의 GNE 필름 사이에 끼워 넣은 샌드위치 구조를 구축했다. 이는 높은 압축성과 복원력을 갖춰 전극·전해질 인터페이스에서 EDL 값을 쉽게 조정할 수 있게 했다. 이어 사포로 고분자 전해질 표면에 미세 패턴을 그려 넣어 INM과 고분자 전해질 사이의 접촉 안정성을 향상했다.

박 교수는 "이번에 개발한 초정전용량형 압력센서는 0.446%의 탁월한 압력 분해능으로 넓은 선형 범위(0-100kPa)에 걸쳐 9029kPa-1의 초고감도 성능을 보인다"며 "이는 현재까지 발표된 모든 이온트로닉 센서 중에서 가장 높은 수치로 기존의 고분자 유전체 기반 압력센서보다는 1000배 이상 높은 값"이라고 설명했다.


이어 "2만회 이상의 연속 반복 실험에서도 성능이 저하되지 않는 우수한 내구성을 입증했다. 다양한 압력 상황에서 센서의 성능을 평가·분석했고, 일상생활에서 허리 벨트에 가해지는 압력을 지속적으로 모니터링하는 벨트 맞춤형 무선 피트니스 트래커 시스템을 개발했다"며 "인간-기계 인터페이스, 전자 피부, 차세대 보철물을 포함한 다양한 산업 분야에 활용될 수 있을 것"이라고 덧붙였다.

한편 이번 연구는 산자부와 한국산업기술진흥원의 '산업혁신인재성장지원사업'(P0020967), '산업기술혁신사업'(RS-2022-00154983, 저전력 센서와 구동을 위한 자립형 전원 센서 플랫폼 개발)의 지원을 받아 수행됐다. 연구 결과는 나노 소재 및 소자 연구 국제저널인 엘스비어(Elsevier)의 '나노투데이'(Nano Today, IF:18.962)에 게재됐다.

박재영 광운대 교수팀의 연구 자료 이미지./사진제공=광운대