광운대 박재영 교수팀, 호흡부터 걸음걸이까지 모니터링 가능한 유연 압력센서 개발

광운대학교 박재영 교수팀(전자공학과)은 맥박, 호흡, 음성, 걸음걸이와 같은 움직임 등 인체의 다양한 생체신호를 정밀하게 감지 및 실시간 모니터링 할 수 있는 광대역의 고성능 유연 압력센서 패치를 개발했다. 기존 센서에 비해 넓은 선형 범위의 압력 (0-100kPa)과 민감도 성능이 탁월하여 웨어러블 스마트 의료/헬스케어, 스포츠, 로봇, 자동차, 국방산업 등에 폭넓게 활용될 것으로 기대된다.

최근 4차 산업혁명의 도래와 함께 ICT-센서융합 기술의 혁신으로, 스마트센서 제품 수요가 급증할 것으로 전망되고 있다. 특히 휴먼-머신 인터페이스, 웨어러블 의료/헬스케어, 스마트 디스플레이, 지능형 로봇, 스포츠 산업 등에 폭넓게 활용이 가능한 고성능의 유연 압력센서 기술에 대한 관심이 크게 증대되고 있다.

본 연구팀은 그래핀-고분자 나노복합 전해질 (Graphene-polymer Nanocomposite Electrolyte, GNE) 필름과 이온성 나노섬유막 (Ionic Nanofibrous Membrane, INM)을 이용하여 초고감도와 넓은 압력의 선형성을 갖는 유연 초정전용량형 압력센서 (Supercapacitive Pressure Sensor, SPS)를 개발했다. 폴리아닐린 변형 나노다공성 탄소 통합 레이저 유도 그래핀 전극에 IL 혼합 폴리 (비닐리덴 플루오라이드-코-헥사플루오로프로필렌) 폴리머 전해질을 증착하여 GNE 필름을 제작하였다. 고분자(폴리머) 전해질 혼합물을 나노다공성 그래핀 전극에 직접 도포함으로써 넓은 표면적을 활용하였다. 또한 이온 농도가 낮은 INM 유전체를 두 개의 GNE 필름 사이에 끼워 넣은 샌드위치 구조를 활용하여 높은 압축성과 복원력을 확보하였고, 전극/전해질 인터페이스에서 EDL 값 조정을 쉽게 구현하였다. 사포 (샌드페이퍼)를 이용하여 고분자 전해질 표면에 미세 패턴을 형성함으로써 INM과 고분자 전해질 사이의 접촉 안정성을 향상시켰다.

본 연구팀이 개발한 초정전용량형 압력센서는 0.446%의 탁월한 압력 분해능으로 넓은 선형 범위(0-100kPa)에 걸쳐 9029kPa-1의 초고감도 성능을 나타냈고, 이는 현재까지 발표된 모든 이온트로닉 센서 중에서 가장 높으며, 기존 고분자 유전체 기반 압력센서보다는 1000배 이상 높은 값이다. 또한 20,000회 이상의 연속 반복 실험에서도 성능이 저하되지 않는 우수한 내구성을 보였다. 다양한 압력 (초저변형에서 대변형까지)에서 센서의 성능을 상세하게 평가 및 분석했으며, 일상생활에서 허리 벨트에 가해지는 압력을 지속적으로 모니터링하는 벨트 맞춤형 무선 피트니스 트래커 시스템을 개발하여 센서의 성능을 실시간으로 측정 및 평가함으로써 생활 습관 개선에 활용 가능성을 타진하였다. 이번 연구결과는 인간-기계 인터페이스, 전자 피부 및 차세대 보철물을 포함한 다양한 산업 분야에 폭 넓게 활용될 것으로 기대된다.

이번 연구는 산업통상자원부의 재원으로 한국산업기술진흥원의 산업혁신인재성장지원사업 (P0020967)과 산업기술혁신사업 (RS-2022-00154983, 저전력 센서와 구동을 위한 자립형전원 센서 플랫폼 개발)의 지원으로 수행되었고, 연구 성과는 세계 최고의 나노 소재 및 소자 연구 전문저널인 엘시비어에서 출판하는 나노투데이(Nano Today, IF:18.962) 2023년도 3월호에 게재되었다.

온라인 중앙일보