광운대 박재영 교수팀 촉각 및 심전도 동시 모니터링 가능한 스마트글러브 개발

중앙일보

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박재영 교수(좌)와 수딥 박사과정(우)

박재영 교수(좌)와 수딥 박사과정(우)

광운대학교 박재영 교수팀(전자공학과)은 심전도, 온도, 습도, 압력 자극 등 인체의 다양한 생체신호를 동시 감지 및 실시간 모니터링 가능한 신축성 스마트글러브를 성공적으로 개발했다. 여러 방향에서 인가된 외부 변형이 스마트글러브에 집적화된 센서들의 성능에 영향이 없도록 창의적으로 설계하였고, CO2 레이저 조각 기술을 이용한 그래핀 (Laser-engraved Graphene, LEG) 전극기반의 센서 구조 설계와 공정 기술을 단순화함으로써 양산 및 상용화 가능성을 타진하였다.

기존 스마트글러브 제작은 신축성을 가지는 기판에 단단한 전극 및 소재를 증착하고 서펜타인 및 개방형 메쉬 구조의 상호 연결 라인을 통하여 외부 변형이 센서 성능에 주는 영향을 줄이고자 하였다. 그러나 센서가 신축성이 없기 때문에 기판이 다른 방향으로 늘어나는 기계적 변형으로 인해 발생하는 균열로 인하여 센서 성능이 열화되거나 불안정하는 문제점이 있었다. 또한 복잡한 센서 및 나노소재 제작 공정은 스마트글러브를 양산하여 상용화하기에는 한계가 있었다. 따라서 저가의 제조 공정 비용으로 훨씬 더 높은 감지 성능과 외부 변형에 둔감한 센서 구조와 상호 연결을 가진 스마트글러브 개발이 매우 중요한 과제이다.

본 연구팀은 로봇 손 주위에 여러 센서를 감싸고 묶는 설계 및 제조 복잡성을 가지는 기존 접근 방식과 다르게 다수의 센서 통합을 단순화한 집적화 설계 및 공정을 새롭게 개발하였다. 현재까지 CO2 레이저 조각 기술은 신축성 스마트글러브 제작에는 사용되지 않았었다. 매우 우수한 민감도를 갖는 카본나노튜브 (CNT)/LEG 나노복합소재를 SEBS 신축성 기판위에 증착하여 잔물결 모양의 구불구불한 상호 연결선 및 센서 전극으로 설계 및 제작하였다. 구불구불한 구조는 모든 방향에서의 외부 변형에 영향을 받지 않도록 하기 위하여 안쪽을 향한 루프에서 네 방향으로 중첩된 5개의 잔물결 모양으로 설계하였다.

이 구조는 손의 기계적 움직임에 따라 늘어나도록 조정되기 때문에 우수한 시공간적 민감도를 제공하고 모든 방향의 기계적 자극에 대한 감지를 크게 향상시킨다. 또한, 레이저 유도 그래핀 시트에서 CNT의 가교 네트워크는 인접한 그래핀 시트 사이의 양자 터널을 증가시켜 변형 조건에서 강한 저항 변동을 보상함으로써 센서의 감도를 유지시켜 준다.

두 개의 CNT/LEG@SEBS 전극 사이에 삽입된 초박형 이온성 나노섬유막은 (Ionic Nanofibrous Membrane, INM) 전기이중층 기반 용량형 압력 센서의 감지층으로 사용함으로써 우수한 성능을 확보하였다. 온도와 압력 센서 사이의 상호 영향을 최소화하기 위해 동작 원리를 다르게 하였고, 온도와 습도 센서의 경우 온도 센서를 완전히 캡슐화하고, 습도 센서의 면적을 최소화하였다. 또한, 간단한 라미네이션 공정을 사용하여 SEBS 신축성 기판위에 4개의 독립적 기능을 가지는 센서를 계층별로 통합하여 전체 센서 제작 공간을 크게 줄였다.

본 연구팀이 개발한 스마트글러브는 다양한 물리 및 생체신호의 동시 인식이 필요한 의수, 로봇 피부, 인간-기계 인터페이스, 스마트 의료 및 헬스케어, 스포츠 분야에 폭 넓게 활용가능하며, 창의적으로 설계한 센서와 연결선 구조는 우수한 민감도와 신축성을 요구하는 다양한 웨어러블 센서 개발에 유용할 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 미국 화학학회에서 출판하는 에이씨에스 나노(ACS NANO, IF:18.027)에 표지논문으로 게재되었다.

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