박재영 광운대 교수팀, 촉각·심전도 동시 모니터링 스마트글러브 개발

박재영 광운대 전자공학과 교수(왼쪽)과 수딥 박사과정./사진제공=광운대

광운대학교는 최근 박재영 전자공학과 교수가 수딥 박사과정과 함께 인체의 다양한 생체신호를 감지 및 실시간 모니터링할 수 있는 신축성 스마트글러브를 개발했다고 25일 밝혔다.

박 교수팀의 스마트글러브는 여러 방향에서 인가된 외부 변형이 센서 성능에 영향을 줄 수 없도록 설계됐다.

박 교수는 "CO2 레이저 조각 기술을 활용한 그래핀(Laser-engraved Graphene, LEG) 전극기반 센서 구조를 설계하고 공정 기술을 단순화했다"며 "스마트글러브의 양산은 물론 상용화도 가능할 것"이라고 설명했다.

기존의 스마트글러브는 유연한 기판에 단단한 전극 소재를 증착해 만들었다. 외부 변형이 센서의 성능에 주는 영향을 줄이기 위해 서펜타인과 개방형 메쉬 구조의 선을 연결했지만 센서 자체에는 신축성이 없기 때문에 기판이 다른 방향으로 늘어나 발생하는 균열에 취약했다. 복잡한 센서와 제작 공정은 스마트글러브의 양산 및 상용화에도 큰 걸림돌이었다.

박 교수팀은 로봇 손 주위에 여러 센서를 감싸고 묶는 기존의 방식에서 벗어나 다수의 센서를 통합·단순화하는 공정을 개발했다. 우수한 민감도를 갖는 카본나노튜브(CNT)/LEG 나노복합소재를 SEBS 신축성 기판 위에 증착하고 잔물결 모양의 연결선과 센서 전극을 활용했다.

안쪽을 향한 루프에서 네 방향으로 중첩된 5개의 잔물결 구조는 어떤 방향에서 가해지는 외부 변형에도 영향을 받지 않았다. 이 구조는 손의 기계적 움직임에 따라 늘어나기 때문에 우수한 시공간적 민감도는 물론 모든 방향의 기계적 자극 감지에도 탁월했다.

또한 레이저 유도 그래핀 시트에서 CNT의 가교 네트워크는 인접한 그래핀 시트 사이의 양자 터널을 증가시켜 강한 저항 변동성을 보였다. 센서의 감도를 유지할 수 있는 실마리를 잡은 셈이다.

박 교수팀은 두 개의 CNT/LEG@SEBS 전극 사이에 삽입된 초박형 이온성 나노섬유막(Ionic Nanofibrous Membrane, INM)을 전기이중층 기반 용량형 압력 센서의 감지층으로 사용했다. 온도와 압력 센서 사이의 상호 영향을 최소화하기 위해 동작 원리를 다르게 적용했고, 온도와 습도 센서의 경우 전자를 캡슐화하고 후자의 면적을 최소화했다.

아울러 라미네이션 공정을 통해 SEBS 신축성 기판 위에 4개의 독립적인 기능을 보유한 센서를 계층별로 장착했다. 이를 통해 전체 센서의 제작 공간을 크게 줄일 수 있었다.

박 교수는 "이번에 개발한 스마트글러브는 다양한 물리·생체신호를 동시에 인식할 수 있다"며 "의수와 로봇 피부, 인간-기계 인터페이스, 스마트 의료, 헬스케어, 스포츠 등 우수한 민감도와 신축성을 요구하는 분야에 활용할 수 있을 것"이라고 전망했다.

한편 이번 연구는 산업통상자원부, 한국산업기술진흥원이 추진하는 '산업혁신인재성장지원사업'과 '산업기술혁신사업'(RS-2022-00154983, 저전력 센서와 구동을 위한 자립형 전원 센서 플랫폼 개발)의 지원을 받아 수행됐다. 연구 결과는 미국 화학학회에서 출판하는 나노 소재 및 소자 연구 전문저널 '에이씨에스 나노'(ACS NANO, IF=18.027)의 표지논문으로 게재됐다.

박재영 광운대 교수팀의 연구자료 이미지./사진제공=광운대