맥신소재 재설계했더니…눈깜박임·1~2mm 비접촉 온도 센싱 가능

UNIST, 기존 대비 온도 민감도 300% 개선…압력은 4배 더 예민

눈깜박임도 바로 읽어내는 초고민감도 센서 소재가 개발됐다.

UNIST는 김수현·권순용 반도체소재부품대학원 교수팀이 티타늄 탄질화물 기반 초고민감도 맥신(MXene) 소재를 개발했다고 11일 밝혔다.

김수현 교수는 "이번에 개발한 맥신(Ti₃CNTz)은 질소가 없는 기존(Ti₃C₂Tx) 소재보다 민감도가 온도 변화는 300%, 압력 자극은 4배 이상 개선됐다"며 "이는 아주 미세한 자극에도 전기저항이 크게 변한다는 뜻"이라고 설명했다.

티타늄 탄질화물 맥신 기반 온도 센서 장치의 접촉 및 비접촉 성능을 나타냈다. 그림F는 스마트폰 플래시의 열에 의해 발생하는 비접촉 온도 변화를 감지한 결과.(그림=UNIST)

연구팀은 전구체인 MAX 상(금속+알루미늄+탄소) 합성 단계부터 순도를 극대화, 고품질 탄질화물 맥신을 확보했다. 이어 이를 선택적 식각 과정을 통해 액상 형태 맥신 용액으로 제조했다.

소자 제작 과정에서는 제조된 맥신 용액을 몰드에 드롭 캐스팅한 뒤 유연한 고분자(PDMS)를 침투시켜 맥신-고분자 복합 감지층을 형성하는 공정을 확보했다.

성능 평가 결과, 기존 티타늄 탄화물 대비 온도 저항 계수(TCR)가 300% 이상 향상됐다. 압력 감지 성능은 질소 조성에 따라 최대 4배 수준까지 개선된 것으로 나타났다.

연구팀은 이 소재를 이용해 만든 센서 실험에서 말하기, 침 삼키기, 기침하기 등 성대의 미세한 떨림을 완벽하게 구분했다. 눈 깜박임이나 손목 맥박 파형을 실시간 포착했다. 신발 뒤꿈치에 부착한 센서는 보행 패턴 분석이 가능했다.

김수현 교수는 "1~2mm 떨어진 상태에서 비접촉 온도 감지도 가능하다"며 "스마트폰 카메라 플래시에서 발생하는 적외선 열을 감지하거나, 손가락이 닿지 않은 상태에서도 접근만으로 온도 변화를 인식할 수 있다"고 덧붙였다.

연구 성과는 재료 과학 분야 국제학술지 '어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈'에 온라인으로 공개됐다.

UNIST 연구진. 왼쪽부터 김수현 교수, 권순용 교수, 데바난다 모하파트라 연구교수(제1저자).(사진=UNIST)