접어지고 방수되는 압력·변형 측정 센서 나왔다

ETRI 연구진 개발…대량생산도 가능

국내 연구진이 방수되고 높은 전도성을 갖는 직물형 센서 개발에 성공했다.

한국전자통신연구원(ETRI)은 면섬유와 같은 직물을 그래핀, 탄소나노튜브를 섞은 용액에 담갔다 빼고 건조 공정을 통해 압력 및 변형 정도를 동시 측정 가능한 직물형 복합센서 개발에 성공했다고 26일 밝혔다.

연구진은 제작한 센서를 면장갑에 접목, 손가락 동작에 따른 움직임을 감지하는 모션 센서 제작에도 성공했다.

그 동안 센서의 경우 전기가 잘 통하는 전도성 계열 금속이 주로 활용됐다. 하지만, 금속은 구부리기가 힘들고 반복하면 쉽게 끊어지는 등 유연성과 내구성이 약해 상용화가 힘들었다.

그래핀/탄소나노튜브 기반의 직물형 스트레인-압력 복합센서

연구진은 얇으면서도 단단하고 땀이나 약품 등 화학적으로도 안정성이 뛰어난 센서를 개발했다. 특히 세탁을 해도 문제가 없는 방수 특성이 있고 별도의 기능 보완을 하지 않아도 된다.

이번 연구개발 성과의 핵심은 환원 그래핀과 탄소나노튜브를 결합해 해당 센서를 구현했다는 것이다. 센서의 크기는 1x3cm 정도다. 수십cm까지도 제작 가능하고 디자인이나 크기에 제한이 없으며, 천에 바로 적용해도 문제없음을 확인했다.

본 기술은 재료 자체가 센서이다 보니 마치 천에 코팅을 입히는 것과 같다. 염료를 코팅하듯 전도성 그래핀을 입힌 것이다. 따라서 원하는 만큼 잘라서 센서로 활용이 가능하다.

(위 왼쪽) 밴딩 변형도에 따른 센서의 내구성 측정. (위 오른쪽) 넓은 인가압력 범위에서 센서의 감도 측정. (아래) 센서의 방수 특성 측정.

환원 그래핀은 연필심의 재료인 흑연을 산화시켜 만든 산화 그래핀에 화학적으로 환원처리 를 한 것이다. 산화 그래핀이 절연체이다 보니 전도성을 띄게 하기 위해선 산화 그래핀에서 산소를 제거해야 한다.

이러한 과정을 거쳐 만들어진 그래핀 기반 직물형 센서는 대량 생산이 가능하고, 우수한 전기 전도성 뿐 아니라 물에 잘 젖지 않고 우수한 유연성, 대면적화 등 다양한 특성을 가질 수 있다.

반면 탄소나노튜브는 열전도율, 기계적, 전기적 특성이 우수해 다양한 구조 물질의 첨가제로 활용이 된다.

ETRI 연구진은 두 가지 소재의 장점을 활용, 탄소나노튜브를 그래핀이 코팅된 직물과 접목, 전기전도도를 끌어올렸다. 그 결과 탄소나노튜브의 복잡한 네트워크 구조로 10만 번 이상을 구부리거나 압력을 진행해도 내구성에 문제가 없었다고 설명했다.

연구진은 개발한 센서를 웨어러블 소재인 장갑에 적용해 보고 향후 로봇의 손, 또는 손발이 불편해 의수, 의족을 착용하는 환자들에게 보급할 계획이라고 밝혔다.

아울러 침대, 차량좌석 등에는 어레이 형태로 제작, 위치에 따라 압력 강도 측정이 가능케 만들어 수면시간 동안 생체신호를 읽어 숙면 정도를 신호로 읽거나 졸음 시 알람을 줄 수 있다.

특히 자세가 중요한 육상 운동선수의 경우, 유니폼, 장갑, 양말 등 스포츠 의류 등에 센서를 장착해 스타트 모션 동작을 신호로 읽어 최적의 자세를 찾을 수 있게 될 수 있다고 설명했다.

최춘기 ETRI ICT부품소재연구소 신소자연구그룹 박사는 “복합센서가 측정 범위의 변화에 따라 선형성을 유지하면서 측정 과정이 수초 내에 이뤄지는 등 성능의 우수성도 확인했다”고 말했다.