KAIST, 광 투과 방식 웨어러블 유연 인장 센서 개발

박인규 교수 연구팀 개가...기존 유연 인장률 센서 한계 극복ㅎ

KAIST(총장 신성철)는 기계공학과 박인규 교수 연구팀이 광 투과 방식의 웨어러블 유연 인장 센서 개발했다고 2일 밝혔다.

인장센서(Strain sensor)는 인장률을 측정하는 센서다. 이번 성과로 인체의 다양한 관절 굽힘 동작, 자세, 맥박 및 표정 등 다양한 생체 동작을 연속적으로 측정, 운동 시 관절부 움직임 자세 교정 및 맥박 측정을 통한 헬스케어 모니터링 시스템 등에 활용할 수 있을 것으로 기대한다고 KAIST는 설명했다.

박 교수와 구지민 박사과정이 1 저자로 참여한 이번 연구는 나노기술 분야 국제 학술지 ‘ACS Applied Materials & Interfaces’ 3월 4일 자 표지 논문에 게재됐다. (논문명: Wearable Strain Sensor Using Light Transmittance Change of Carbon Nanotube Embedded Elastomer with Microcrack)

최근 헬스케어 관심이 커지면서 웨어러블 유연 센서 개발도 활발히 진행, 인체에 적용하는 센서로서의 유연 소재를 기반으로 다양한 전기저항식, 정전용량 방식의 플랫폼을 이용한 인장 센서가 많이 개발되고 있다.

그러나 기존의 전기저항식 센서는 장시간 반복 신호 안정성, 선형성에 한계를 보이며, 정전용량식 센서의 경우 외부 전기장의 영향에 취약하고 센서 민감도가 낮다. 이러한 점을 보완하기 위해 광학 방식의 유연 인장 센서가 개발됐으나 여전히 민감도가 낮다는 한계점이 있다고 KAIST는 설명했다.

왼쪽부터 구지민 박사과정, 박인규 교수.

문제 해결을 위해 KAIST 연구팀은 탄소 나노튜브가 함침된 탄성중합체 인장에 따른 광 투과도 변화 현상을 활용, 수 퍼센트(%)에서 400%에 달하는 넓은 범위 인장률을 안정적으로 측정할 수 있는 유연 인장 센서를 개발했다.

연구팀이 개발한 센서는 외부 인장에 따라 탄성중합체에 함침된 탄소 나노튜브 필름에 틈이 형성돼 광 투과도를 크게 변화시켜 기존의 광학 방식 인장 센서에 비해 10배 이상의 높은 감도를 가진다고 KIAST는 밝혔다. 또, 1만 3천 회 이상 인장 변형에도 안정적인 신호 회복을 보이고, 다양한 환경 요인(온도, 습도)에도 안정적인 감지 성능을 보여 웨어러블 기기로 활용할 수 있는 큰 가능성을 보였다고 KAIST는 덧붙였다.

연구팀은 이러한 성능을 바탕으로 손가락 굽힘 동작을 측정해 이를 로봇 조종에 활용했으며, 3축 센서로 패키징 해 인체 자세 모니터링에 활용했다. 또, 경동맥 근처의 맥박 모니터링과 발음할 때의 입 주변 근육 움직임 등 미세한 동작도 관찰하는 데 성공했다.

박인규 KAIST교수는 "이번 연구는 기존 전기저항식, 정전용량식 및 광학 방식의 유연 인장률 센서가 갖는 한계점을 극복할 수 있는 새로운 플랫폼을 개발했다는 점에서 의미가 있다"며 "헬스케어, 엔터테인먼트, 로보틱스 등 다양한 분야에 널리 활용할 수 있는 우수한 성능의 웨어러블 센서를 실현했다"고 강조했다.

이번 연구는 한국연구재단의 중견 연구 과제(올인원 스마트 스킨을 위한 웨어러블 멀티센서 시스템 핵심기술 연구)와 선도연구센터지원 사업(초정밀 광 기계기술 연구센터) 지원을 통해 이뤄졌다.

광 투과도 변화를 활용한 탄소나노튜브 기반 유연 인장 센서 구조도