광운대 박재영 교수팀, 무전원 스트레처블 압력센서 및 스마트 글러브 개발

광운대학교 박재영교수 연구팀(전자공학과)은 전원이 없이도 손가락의 미세한 동작을 실시간으로 연속모니터링 할 수 있는 마찰전기 기반 토로이달 (Toroidal) 압력 센서 개발에 성공하였다. 본 연구팀은 미세한 피라미드 구조 배열과 신축성을 갖는 멕신/에코플렉스(Mxene/Ecoflex) 나노복합소재를 마찰전기 나노 발전기의 음전하층으로, 손가락 피부를 양전하 층으로 사용함으로써 미세한 손가락의 움직임을 정밀하게 측정할 수 있는 고성능의 스트레처블 압력센서를 제작하였다. 제작된 센서는 우수한 감지특성과 기계적 견고성을 갖기 때문에 손동작 감지 및 제어 시스템, 수화 통역 시스템, 인간-기계 인터페이스를 이용한 지능형 로봇, 드론, 게임, VR/AR 등 다양한 산업분야에 적용될 수 있다.

박재영 교수(좌)와 장세붕 박사과정(우)

최근에 웨어러블 압력 센서를 사용하여 손동작을 감지하여 신체적 및 인지적 장애를 지닌 사람들을 이해하고 소통하는 기술과 로봇 및 사물을 제어하는 휴먼-머신 인터페이스 기술 연구가 활발하게 이루어지고 있다. 압력 센서의 우수한 민감도, 기계적 유연성 및 내구성, 신축성과 빠른 응답 시간은 이러한 시스템을 구현하기 위해서는 필수적이다. 최근에 신체 촉각 감지 기능을 모방한 용량성, 압저항 기반의 다양한 고감도의 유연 압력 센서가 개발되었으나, 이들 센서들의 동작을 위해서는 외부 전원 공급원과 복잡한 회로기술이 필요하다는 단점을 가진다. 특히, 2차 전지와 같은 전기화학 배터리는 수명이 제한되어 있고 교체 및 재충전이 필요하며 폐기로 인한 환경 오염을 유발한다는 단점이 있다.

따라서 마찰전기 나노 발전기(TENG)를 기반으로 하는 무전원 압력센서는 위의 많은 문제점들을 해결할 수 있기 때문에 최근에 많은 연구가 이루어지고 있다. 하지만, 여러 개의 센서가 장착된 웨어러블 글러브를 제작하기 위해서는 복잡한 설계 및 제조 공정, 높은 제작 비용, 복잡한 패키징, 손가락과 미세한 공간확보 등 해결해야 할 이슈사항들이 많다. 본 연구팀은 3D 프린팅으로 제작된 미세한 피라미드 배열의 거푸집에 멕신/에코플렉스 나노복합소재를 부어서 건조한 후 전도성 섬유전극을 입힌 후 분리시킴으로써 마찰전기 나노 발전기의 음전하층과 전극을 쉽게 제작하였고, TPU와 3D 프린팅 기술을 적용하여 토로이달 구조의 웨어러블 글러브를 제작한 후 음전하층/전극 필름을 부착함으로써 위의 복잡한 문제를 쉽게 해결하였다. 제작된 토로이달 압력센서는 높은 피크 대 피크 전압(19.91V), 높은 감도(0.088VkPa-1), 넓은 압력 감지 범위(0?120kPa)를 나타내었다. 연구팀은 제작된 웨어러블 토로이달 압력센서의 뛰어난 신축성과 성능을 활용하여 손가락 움직임을 정밀하게 모니터링 할 수 있는 웨어러블 스마트 글러브를 제작하였고, 로봇 손가락 제어, 고정밀 테이블 제어, 가전기기의 제어 등 을 성공적으로 시연하였다. 제작된 센서와 스마트 글러브는 AI기술과 접목하여 다양한 휴먼-머신 인터페이스 응용 산업분야에 폭넓게 활용 및 응용될 것으로 기대된다.

이번 연구는 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단 중견연구자 지원(NRF-2020R1A2C2012820) 및 산업통상자원부의 산업기술혁신사업?(RS-2022-00154983,?저전력 센서와 구동을 위한 자립형전원 센서 플랫폼 개발)의 지원으로 수행되었고, 연구 결과는 세계 최고의 에너지 소재 및 소자 전문 저널인 엘시비어 (Elsevier) 출판의 나노에너지 (Nano Energy, IF: 19.069)에 논문이 게재되었다.

3D 프린팅 기술과 신축성을 갖는 멕신/에코플렉스 나노복합소재를 이용한 마찰전기 기반 무전원 스트레처블 토로이달 구조의 압력센서, 웨어러블 글러브,. 성능, 응용 예시

온라인 중앙일보