전자공학과 박재영 교수, 유연신축 패치형 센서 개발

- 인체의 작은 맥박부터 걸음걸이, 피부 온도까지 측정 가능한 고성능 스트레인-온도 하이브리드 유연-신축 패치센서 개발 -

- 웨어러블 의료 및 헬스케어, 로봇, 국방산업에 핵심 기술로 활용 ‘기대’ -

- 국제 저명 학술지 어드밴스드 펑셔널머티리얼즈 표지논문(IF: 16.836) 선정 -  

본교 박재영 교수 연구팀(전자공학과)은 유연하고 신축성 있는 소재와 나노 공정기술을 이용하여 인체의 다양한 물리정보(맥박, 목소리, 걷기, 뛰기 등)와 피부온도를 쉽게 측정하고 실시간 모니터링할 수 있는 하이브리드형 유연/신축 패치 센서를 개발했다.

이번 연구는 여러 개의 개별 센서를 기판에 부착 혹은 통합 패키징 하는 기존 방법과는 다르게 하나의 단일 센서로 스트레인(변형)과 온도를 측정하기 위하여 흑린과 레이저 조사 그래핀(black phosphorus and laser-engraved graphene; BP@LEG) 합성물 기반의 신소재를 개발하여 사용했다. 또한 반복 사용과 인체 부착이 쉽도록 유연하고 신축성 있는 고무소재, SEBS(Polystyrene­block­poly(ethylene­ran­butylene)­block­polystyrene)를 센서의 기판으로 사용했다.

최근 유연 패치형 멀티센서는 압력, 변형(스트레인), 온도 같은 여러 개의 물리자극을 감지할 수 있는 웨어러블 의료 및 헬스케어, 전자피부, 로봇, 가전등에서 폭 넓게 활용될 수 있기 때문에 많은 연구가 진행 중에 있다. 멀티센서는 하나의 칩 혹은 패치로 통합시키는 것이 가장 효율적이지만, 각각의 센서 제작에 사용되는 소재가 다양하고 집적화 제작 공정이 복잡하여 수율이 낮고 많은 비용이 소모되는 단점이 있었다. 이에 각각의 자극을 분리된 신호로 나누어 사용하는 다중 변수 센서들이 일반적으로 사용되어 왔다.

지금까지 보고된 패치센서들의 경우, 민감도는 우수하지만 넓은 스트레인(변형) 범위까지 측정이 어렵고, 장시간 및 반복 사용 시에 신뢰성과 안정성에 문제가 있었다. 본 연구에서는 레이저 빔 조사를 통해 쉽게 만들어진 그래핀에 흑린을 브리징(bridging) 소재로 사용하여 센서의 민감도, 스트레인의 측정 범위, 신뢰성과 안정성을 크게 향상 시켰다. 또한 온도가 변함에 따라 전류가 흐르는 열전효과와 변형에 따라 저항이 변하는 압전효과를 이용하여 온도와 압력을 함께 측정할 수 있는 하이브리드 센서를 성공적으로 개발하여 웨어러블 스마트 의료 및 헬스케어, 로봇, 스포츠, 국방 산업에 폭넓게 활용 가능한 핵심 기술로 평가받고 있다.

흑린은 인(P) 원자로 이루어진 반도체 특성을 나타내는 2차원 소재이며, 그래핀의 육각 벌집 모양의 결정구조가 마치 한 방향을 따라 규칙적으로 구부러진 것과 같은 ‘주름진 육각벌집(Puckered honeycomb)’ 구조를 갖는다. 여기서 2차원(2D)소재란 원자들이 단일 원자층 두께(약 1nm=10억분의 1m)를 가지고 평면에서 결정구조를 이루는 물질을 지칭하며, 결정구조의 차원 수에 따라 3차원(3D), 2차원(2D), 1차원(1D), 0차원(0D) 물질로 구분 가능하고, 같은 원소로 이루어진 물질이라도 차원수가 달리지면 원자들 사이의 결합 특성이 달라지므로 기계적 안정성, 전자이동도 등 물질의 특성이 달라지게 된다.

연구팀이 개발한 하이브리드 유연/신축 패치센서는 8,106K의 열 지수와 19% 변형에 대해 2,765의 변형 민감도, 0.023%의 낮은 검출 한계, 18,400 사이클에 걸쳐 안정적인 응답으로 뛰어난 전기 기계 성능을 보여줬다. 또한 연구팀은 제작된 센서를 이용하여 미세한 정맥 맥박 및 목소리와 같은 작은 변형부터 걸음걸이와 뛰기와 같은 큰 변형과 피부온도를 측정하는 실험을 성공적으로 완료함으로써 상용화 가능성을 타진했다.

한편, 이번 연구는 한국연구재단 중견연구과제 (NRF-2020R1A2C2012820)와 바이오의료기술개발사업 (NRF-2017M3A9F1031270)의 지원을 받아 수행되었고, 연구성과는 세계 최고의 소재 및 소자 연구 전문저널인 와일리 (WILEY) 출판의 어드밴스드펑셔널머티리얼즈(Advanced Functional Materials, IF: 16.836) 2021년도 3월호에 게재 및 표지논문으로 선정되었다.

https://doi.org/10.1002/adfm.202170068

<고성능 스트레인-온도 하이브리드 유연-신축 패치센서 구조 및 측정된 성능>

<표지논문>