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레고처럼 조립해 범용으로 사용하는 투명 변위 센서 개발

- 맞춤형 웨어러블 및 생체 이식용 기기로 이용 가능 -

□ 레고처럼 원하는 모양으로 조립해서 범용으로 사용할 수 있는 투명 변위 센서가 개발됐다.

□ 한국연구재단(이사장 이광복)은 단국대학교 송지현 교수와 차의과대학교 안중호 박사 공동연구팀이 인쇄전자기술*을 이용해 초박형 변위 센서**를 대량으로 생산한 뒤 다양한 크기, 형태, 성능으로 활용할 수 있는 기술을 개발했다고 밝혔다.

• ⁎︎인쇄전자기술: 기능성 전자 잉크 소재를 이용해 다양한 전자소자를 제작하는 기술.

• ⁎︎* 변위 센서: 변위량을 검출해 대상물의 높이, 두께 등을 마이크로미터 단위로 측정할 수 있는 센서.

□ 신축성 센서는 웨어러블 기기를 비롯해 로봇, 의료분야 등에 활용도가 높다. 인쇄전자기술을 이용하면 대량생산도 가능하다.

○ 하지만 대부분의 신축성 인쇄 센서는 기판과 일체형으로 제작되므로, 용도와 형태를 결정한 후 한 번 생산에 들어가면 변경이 어렵다. 또한 적용되는 기기의 디자인이나 기능을 수정하면 설계부터 제작까지 모든 과정을 다시 진행해야 한다.

○ 공정 효율 측면에서 이 같은 한계점이 존재, 특히 웨어러블 기기로 활용 시에는 사용자 맞춤이 불가능하다. 생산 이후 형상을 변환하거나 손쉽게 형태를 수정하는 기술 개발이 필요한 상황이다.

□ 공동연구팀은 센서 대량생산 이후 기판상에서 분리, 마치 레고처럼 단위 센서를 연결하고 조립해 크기, 형상, 그리고 활용처를 마음대로 변경할 수 있는 센서 제작 기술을 확보하는 데 성공했다.

○ 단위 센서의 형상 설계는 구불구불한 구조를 기본으로, 양끝단에 접속회로를 만들어 단위 센서들을 서로 연결하거나 와이어를 연결해 변위에 따른 전압 데이터를 수집하는 방식이다. 단위 센서는 원래 길이의 최대 2배까지 늘어나며, 변위에 따라서 선형적으로 약 100mV까지 전압을 출력한다.

○ 연구팀은 대량생산한 단위 센서를 꽃, 새, 뱀 등의 모양으로 필요에 따라 새롭게 조립해 웨어러블 및 생체 이식용 기기에 적용 가능함을 확인했다.

□ 특히 이식용 기기로써 활용을 위한 세포시험 결과 우수한 생체 적합성을 보였다. 압전센서는 외부 자극에 따라 전압을 생산하기 때문에 이식용 소형 발전기로도 이용 가능하다.

□ 이번 연구성과에 대해 송지현 교수는 “맞춤형, 고성능 신축성 센서를 적은 비용으로 제작할 수 있는 길을 열었다”며, “차세대 웨어러블 기기나 생체 의학 장치, 로봇공학 등의 센서 기술에 중요한 역할을 할 수 있을 것으로 기대된다”고 밝혔다.

□ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 생애첫연구와 창의‧도전연구 기반지원 사업 지원으로 수행된 이번 연구 성과는 재료분야 국제학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 메터리얼즈(Advanced Functional Materials)’에 지난 10월 8일 게재되었다. 또 연구 우수성을 인정받아 학술지 표지 논문으로 선정됐다.

주요내용 설명

1. 연구의 필요성

○ 신축성 센서는 웨어러블, 로봇, 그리고 의료분야 기기로써 다양하게 사용되고 있다.

○ 다양한 제작 방법 중 인쇄 전자기술을 접목한 센서 제작이 균일한 생산에 이점이 있어 많이 활용되고 있다.

○ 하지만 대부분의 인쇄 센서의 경우 기판에 부착되어 있는 일체형으로, 기기 디자인 및 기능성 수정을 위해서는 설계부터 제작까지 모두 다시 진행해야 한다.

○ 이러한 한계점 때문에 센서 제작 후 활용되는 분야는 특정되어 있으며, 특히 웨어러블 기기로 활용 시 제작 후 사용자 맞춤이 불가능하다.

2. 연구내용

○ 본 연구에서는 인쇄전자기술을 이용해 대량으로 생산한 뒤 기판에서 분리해 인쇄가 완료된 후에도 다양한 크기, 형태, 성능의 센서 제작이 가능하다.

○ 센서 설계는 늘어날 수 있는 구불구불한(serpentine) 구조와 양끝단에 커넥터(connector)를 만들어 단위 센서들이 연결되거나 와이어(wire)를 연결하여 변위에 따른 전압 데이터를 수집한다.

○ 단위 센서는 길이 12 mm, 두께 약 50 µm의 소형 박막형 센서이다.

○ 단위 센서는 원래 길이의 최대 100%까지 인장이 가능하며, 변위에 따라서 선형적으로 약 100 mV까지의 전압을 출력한다.

○ 피막형 센서의 경우 기존 센서 대비 같은 변위에서 약 51% 향상된 응답성을 보였다.

○ 본 유연한 박막형 센서는 2차원 형상뿐만 아니라 다양한 3차원 형상으로 확장 가능하며, 3차원 구조체는 평행 방향뿐만 아니라 수직으로 가해지는 변위도 센싱 가능하다.

○ 센서 인쇄 방식으로는 노즐과 기판 사이에 전기장을 걸어주는 전기수력학(electrohydrodynamic) 프린팅 방식을 이용하여 압전소자의 별도 분극과정이 불필요하다.

3. 연구성과/기대효과

○ 단일, 피막형, 그리고 레고처럼 조립된 뱀 센서들은 손가락 및 손목에 부착되어 움직임에 따라 다른 전압 출력을 나타내면서 웨어러블 기기로의 활용 가능성을 보였다.

○ 또한, 심장의 박동상태를 모니터링하는 생체 탐침으로 사용 가능하다. 그리고 쥐의 피하에 이식되어 근육의 움직임을 성공적으로 모니터링하면서 의학 분야의 사용 가능성도 보였다.

○ 압전 변위 센서는 변위에 따라 전압을 발생시키기 때문에 심장과 같은 움직임이 있는 장기에 부착되면 이식용 소형 발전기로도 이용할 수 있다.

그림 설명

(그림1) 센서 제작 과정 및 어플리케이션

가) 센서 제작과정. 나) 웨어러블 어플리케이션. 다) 생체이식용 기기 어플리케이션.

그림설명 및 그림제공 : 단국대학교 송지현 교수, 차의과대학교 안중호 박사

(그림2) 센서의 웨어러블과 의료기기로써의 활용 예시

가) 레고처럼 조립된 뱀모양 센서가 손의 동작을 센싱하는 사진 및 출력 전압.

나) 생체 탐침으로 적용된 고리 모양 센서가 쥐 심장에 적용되어 심장 상태를 모니터링한 결과.

다) 쥐의 피하에 이식된 피막형 센서가 쥐의 동작에 따른 근육 움직임을 모니터링한 결과.

그림설명 및 그림제공: 단국대학교 송지현 교수, 차의과대학교 안중호 박사