하태준 광운대 교수팀, 고감도 웨어러블 습도 센서 개발

김명현 석사과정, 하태준 전자재료공학과 교수, 박상준 석박사 통합과정.(왼쪽부터)/사진제공=광운대

광운대학교는 최근 하태준 전자재료공학과 교수 연구팀이 친수성 폴리비닐피롤리돈(Polyvinylpyrrolidone, PVP)을 합성하고 다중벽 탄소 나노튜브(Multi-walled carbon nanotube, MWCNT) 기반 유연 전극을 결합해 정전 용량 방식의 고감도 웨어러블 습도 센서를 개발했다고 31일 밝혔다.

최근 혈압, 호흡, 체온 등과 같은 신체 생리학적 정보를 실시간으로 제공하는 웨어러블 기술이 융합된 유연 생체 센서에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.


고감도 습도 센서는 사람이 호흡하는 동안 습도를 실시간으로 분석해 신체의 물리적 움직임 상태는 물론 건강과 관련된 다양한 생체 정보를 모니터링할 수 있다는 점에서 특히 주목받고 있다.

그러나 기존 정전 용량 방식의 습도 센서는 외력이 가해지는 상태에서 정확한 분석 데이터를 얻을 수 없으며 개별 소자 단위에서만 연구가 진행됐다는 한계를 갖고 있다.

하 교수팀은 호기의 습도를 감지하기 위해 최적화된 합성 조건을 기반으로 친수성 PVP를 제조하고 MWCNT 기반 유연 전극을 바프린팅(bar-printing) 방식으로 증착했다. 그 결과 45℃, 60%의 변형률 상태에서 20000번의 반복 굽힘에도 높은 분석 정확도를 유지하는 고성능 웨어러블 습도 센서를 개발했다.


해당 센서는 상대 습도 40~90% 범위에서 3.0±0.15nF/RH%·㎠의 높은 감지 응답과 6.4±0.1pF/%RH의 민감도를 보였다. 하 교수팀은 이를 활용해 사용자의 모바일 인터페이스와 연동할 수 있는 무선 통신 기반 실시간 호흡 모니터링 시스템을 구현했다. 사용자의 운동 상태에 따른 호흡 내 습도 변화를 실시간으로 감지하고 데이터화할 수 있게 된 것이다.

하 교수는 "기능성 재료 기반 유연 센서 융복합 기술과 관련된 호흡 모니터링 시스템에 대한 특허를 출원했다"며 "앞으로도 우리나라가 웨어러블 소재 기술을 선도할 수 있도록 후속연구를 이어갈 것"이라고 말했다.

한편 이번 연구는 미래창조과학부가 주관하는 '한국연구재단 중견연구지원 사업'의 일환으로 수행됐다. 연구 결과는 엘스비어(Elsevier)에서 발행하는 화학센서 분야 국제학술지 'Sensors and Actuators B: Chemical'(IF: 8.4, JIF ranking: 99.2%)에 'All-printed wearable humidity sensor with hydrophilic polyvinylpyrrolidone film for mobile respiration monitoring'이라는 제목으로 게재됐다.

하태준 광운대 교수팀의 연구자료 이미지./사진제공=광운대