헬스케어 모니터링 시스템 등에 활용 가능

이번 연구가 실린 나노기술 분야 국제 학술지 ‘ACS Applied Materials & Interfaces’ 3월 4일 자 표지
나노기술 분야 국제 학술지 ‘ACS Applied Materials & Interfaces’ 표지

국내 연구진이 나노 소재를 활용한 유연 인장 센서를 개발했다. 안정적인 감지 성능을 보여 로보틱스와 헬스케어 산업 기술 개발 등에 기여할 것으로 기대된다.

한국과학기술원(KAISTㆍ총장 신성철)은 박인규 기계공학과 교수 연구팀이 신체 동작 구현 및 자세 모니터링에 활용 가능한 '탄소 나노튜브–탄성 중합체 복합소재 광 투과 방식의 웨어러블 유연 인장 센서'를 개발했다고 2일 밝혔다. 

KAIST는 이 기술로 인체의 관절 굽힘 동작과 자세, 맥박 및 표정 등 다양한 생체 동작을 연속적으로 측정할 수 있다고 설명했다. 운동 시 관절부 움직임 교정과 맥박 측정을 헬스케어 모니터링 시스템에 활용 가능할 것이라고 기대했다.

최근 웨어러블 유연 센서 개발이 활발히 진행 중이다. 인체에 적용 가능한 센서의 유연 소재를 기반으로, 다양한 전기저항 및 정전용량 방식의 플랫폼을 이용한 인장 센서가 많이 개발되고 있다.

하지만 기존 전기저항식 센서는 장시간 반복 신호 안정성과 선형성에 한계를 보였다. 정전용량식 센서의 경우 외부 전기장 영향에 취약하며, 센서 민감도가 낮다. 앞선 단점을 보완하기 위해 광학 방식의 유연 인장 센서가 개발됐지만, 여전히 민감도가 낮다는 한계점이 있다.

광 투과도 변화를 활용한 '탄소나노튜브 기반 유연 인장 센서' 구조
광 투과도 변화를 활용한 '탄소나노튜브 기반 유연 인장 센서' 구조

문제 해결을 위해 연구팀은 탄소 나노튜브가 함침된 탄성중합체 인장에 따른 광 투과도 변화 현상을 활용했고, 400% 범위에 달하는 인장률을 안정적으로 측정할 수 있는 유연 인장 센서를 개발했다.

연구팀이 개발한 센서는 함침된 탄소 나노튜브 필름에 외부 인장의 영향으로 틈이 형성돼 광 투과도를 크게 변화시켜 기존 방식의 센서보다 10배 이상 높은 감도를 가진다. 또 1만 3000회 이상의 인장 변형에도 안정적인 신호 회복을 보이고, 온도와 습도 등 다양한 환경 요인에도 안정적인 감지 성능을 보여 웨어러블 기기로 활용할 수 있는 가능성을 보였다. 

연구팀은 개발한 기술을 바탕으로 손가락 굽힘 동작을 로봇 조종에 활용했으며, 3축 센서로 패키징해 인체 자세 모니터링에 활용했다. 또 경동맥 근처의 맥박 모니터링과 발음할 때의 입 주변 근육 움직임 등 미세한 동작도 관찰하는 데 성공했다.

박인규 교수는 "이번 연구는 기존 방식의 센서들이 갖는 한계점을 극복해 헬스케어와 엔터테인먼트, 로보틱스 등 다양한 분야에 활용 가능한 웨어러블 센서를 실현했다”고 말했다.