말·호흡·기침 감지해 성대 문제 판단하는 진동센서

포스텍

연구팀이 개발한 무전원 웨어러블 진동 센서 개념도. 압전 물질을 진동판으로 사용해 외부 전원 없이 구동되며, 별 모양 마이크로 기둥 4개가 맞물리는 중앙에 원형 진동판을 배치해 기둥 사이로 공기가 자유롭게 흐르도록 설계했다. 포스텍 제공

숨을 쉬고 말하는 순간에도 생기는 우리 몸의 초미세 진동을 정확하게 감지할 수 있는 웨어러블 진동센서가 개발됐다. 차세대 스마트 기기의 핵심 센서로 활용될 것으로 기대된다. 

포스텍은 조길원 화학공학과 교수, 조강혁 박사과정, 이정훈 박사 연구팀이 외부 구동 전원 없이 작동하면서도 초미세 진동을 정확하게 감지할 수 있는 웨어러블 진동센서를 개발했다고 11일 밝혔다. 연구결과는 국제 학술지 ‘네이처 센서스(Nature Sensors)’ 창간호에 게재됐다.

몸에서 나는 소리는 매우 다양한 주파수 대역에 걸쳐 있다. 목소리, 호흡, 삼킴과 같은 생리적 신호는 낮은 주파수 영역에서 나타나며 기침이나 신음 등은 상대적으로 높은 주파수에서 발생한다. 

몸이 내는 소리의 신호를 정확히 측정하려면 소리를 만들어내는 미세한 진동을 넓은 주파수 범위에서 정밀하게 감지할 수 있어야 한다. 그러나 기존의 웨어러블 진동 감지 기술은 미세한 진동을 충분히 포착하지 못하거나 센서 구동을 위해 별도의 전원이 필요하다는 한계가 있다. 피부나 땀과의 접촉으로 인해 성능이 저하되어 실제 웨어러블 응용에는 제약이 있다.

연구팀은 센서 구동과 민감도의 한계를 극복하기 위해 서로 다른 방식으로 작동하는 두 가지 원리를 사용했다. 힘이나 진동을 받으면 스스로 전기를 만들어내는 ‘압전 물질’과 전극 간 거리 변화로 신호를 감지하는 ‘정전용량형 센서’를 하나의 구조로 결합했다. 

압전 물질이 만들어낸 전기를 정전용량형 센서의 구동 전력으로 활용해 외부 전원이 필요 없는 무전원 구동과 초고감도 측정을 동시에 만족하는 웨어러블 진동 센서를 개발했다.

연구팀은 센서 배열도 새롭게 설계했다. 진동판 아래에 별 모양의 마이크로 기둥을 배치하고 네 개의 기둥이 맞물리는 중앙에 원형 진동판을 올리는 구조를 고안했다. 기둥 사이로 공기가 자유롭게 흐르도록 설계해 진동판의 움직임이 방해받지 않도록 했다. 그 결과 센서를 촘촘히 배열하면서도 성능 저하 없이 안정적인 측정이 가능해졌다.

개발된 센서는 80~5000헤르츠(Hz)에 이르는 넓은 주파수 범위에서 0.01g(중력가속도) 수준의 초미세 진동까지 민감하게 감지했다. 사람의 목에 부착했을 때는 미세한 성대 움직임을 포착해 말소리와 호흡, 기침 같은 생체 신호를 정확히 구분해서 인식했다. 소리가 나는 물체에 부착했을 때는 표면에서 발생하는 진동을 정밀하게 감지해 진동형 마이크를 이용한 고음질 녹음이 가능함을 입증했다. 기존 진동 센서로는 포착하기 어려웠던 미세 진동을 안정적으로 감지할 수 있게 된 것이다. 

조길원 교수는 “개발한 진동 센서는 넓은 주파수 영역에서 매우 작은 크기의 진동까지도 민감하게 감지할 수 있다”며 “이를 피부에 부착하면 우리 몸에서 발생하는 작은 신호를 정확하게 감지할 수 있어 웨어러블 헬스케어 분야에서의 활용이 기대된다”라고 말했다. 이어 “소리가 발생하는 물체에 부착해 진동을 기록함으로써 고음질의 소리를 녹음할 수 있어, 매우 얇고 유연한 부착형 진동 마이크로 활용될 가능성도 크다”라고 덧붙였다.

<참고자료>

https://doi.org/10.1038/s44460-025-00003-1

[김민수 기자 reborn@donga.com]