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

본 연구팀은 폴리 비닐 알코올성 탄성 중합체에 리튬 설폰아미드의 이온 염과 멕신(MXene)을 혼합한 용액으로 제작된 하이브리드 이온 나노섬유 고분자 필름을 감지막으로 사용함으로써 수소결합으로 유발되는 멕신 표면의 기능성 층이 전극/전극 인터페이스에서 전기이중층(Electric Double Layer)형성을 억제하게 하여 초기 정전용량 값을 크게 감소시켰다. 뿐만 아니라 외부 압력에 의해 촉발된 이온 펌핑 프로세스를 통해 인터페이스에 두꺼운 전기이중층을 생성하여 정전용량 변화를 크게 향상시킴으로써 초고감도를 얻는데 성공했다. 또한 전기방사기술로 제작된 나노섬유 고분자 박막을 이용함으로써 기존 마이크로 구조의 박막에 비해 높은 압축성을 갖도록 하여 넓은 범위의 압력에서 우수한 성능을 얻을 수 있었다.

<유연 하이브리드 이온 나노섬유 고분자 박막을 감지막으로 이용한 초고감도 웨어러블 압력센서 구조 및 성능>

제작된 유연압력센서는 0-30 kPa과 30-250 kPa의 넓은 측정 압력 범위에서 0.5 kPa-1와 1.5 kPa-1의 초고감도와 70.4 ms의 빠른 응답 시간을 나타냈다. 또한 센서는 45 kPa의 높은 압력에서도 2 Pa의 낮은 압력을 구별하여 측정할 수 있었고, 20,000회 이상의 연속 반복 실험에서도 성능이 저하되지 않는 우수한 내구성을 보였다.

한편, 이번 연구는 한국 연구재단 바이오의료기술개발사업(NRF-2017M3A9F1031270)과 산업통상자원부나노융합산업핵심기술개발사업(20000773)의 지원을 받아 수행되었고, 연구 성과는 세계 최고의 나노 소재 및 소자 연구 전문저널인 미국 화학학회에서 출판하는 에이씨에스 나노(ACS Nano, IF:14.58) 2021년도 3월호에 게재 및 표지논문으로 선정되었다.

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.0c07847

https://pubs.acs.org/toc/ancac3/15/3