상용화 한계 돌파…진성훈 경희대 교수팀, '유연 센서' 개발

감도·저항 독립 조절 기술 구현

경희대학교는 진성훈 정보디스플레이학과 교수 연구팀이 유연 스트레인 센서의 핵심 성능 지표인 감도(게이지 팩터, GF)와 기준저항($R_0$)을 각각 독립적으로 조절할 수 있는 혁신적인 센서 설계 기술을 개발했다고 11일 밝혔다.

감도와 저항을 독립적으로 조절할 수 있는 유연 센서를 개발한 경희대 진성훈 교수. 경희대학교

연구팀은 극지연구소와의 공동 연구를 통해 마취된 호랑이와 스라소니 등 대형 야생동물의 호흡을 무선으로 실시간 측정하며 기술의 현장 적용성까지 성공적으로 입증했다. 이번 연구 성과는 나노·마이크로 과학 분야의 세계적 권위지인 국제학술지 '스몰(Small)'에 정식 게재됐다.

미세한 기계적 변형을 전기적 신호로 변환하는 스트레인 센서는 웨어러블 디바이스와 스마트 헬스케어 모니터링 시스템의 핵심 부품이다. 그러나 기존 유연 스트레인 센서는 감도를 높이거나 변경할 때 변형 전 초기 저항인 기준저항까지 연동돼 함께 변하는 고질적인 한계가 있었다. 이로 인해 신호처리 회로가 요구하는 최적의 저항값과 사용자가 원하는 감도를 동시에 충족하기 어려워 회로 집적화 및 상용화에 걸림돌이 되어왔다.

연구팀은 균열이 형성된 SU-8/PDMS 이중층 기판 위에 단일벽 탄소나노튜브를 분사 코팅하는 새로운 공정 방식을 고안했다. 기판에 균열을 유도할 때 가하는 '사전 변형률'로 감도를 제어하고 '탄소나노튜브 분산액의 분사량'으로 기준저항을 독립 조절하는 메커니즘이다. 핵심 특성을 상호 독립적인 공정 변수로 분리 제어함으로써 센서 맞춤형 설계의 자유도를 끌어올렸다.

실제 성능 검증 결과 사전 변형률을 고정한 채 탄소나노튜브 분사량을 조절하자 기준저항이 약 5.9배 변하는 동안 감도 변화는 1.15배 수준에 그쳤다. 반대로 분사량을 고정하고 사전 변형률을 변경했을 때는 감도가 약 4.4배 크게 변하는 동안 기준저항 변동 폭은 2배 이내로 억제됐다. 한 지표를 튜닝할 때 다른 지표에 미치는 간섭을 최소화할 수 있음을 실험적으로 증명한 것이다.

연구팀은 전산 시뮬레이션을 통해 균열 경계면에서 탄소나노튜브 네트워크의 전도 경로가 물리적 변형에 따라 연결되고 끊어지는 현상이 높은 센서 감도를 견인한다는 구체적인 작동 원리도 규명했다. 아울러 해당 센서를 박막트랜지스터와 결합해 변형률을 주파수 신호로 변환하는 회로를 구현했으며 미세한 발성 진동과 맥박, 손목 관절의 큰 움직임까지 정밀 감지하는 시연에 성공했다. 특히 블루투스 무선 통신 모듈과 일체화한 센서를 활용해 현장 실증의 지평을 넓혔다.

연구팀은 극지연구소와 협력해 수술을 위해 마취 상태에 있던 시베리아 호랑이와 스라소니에 센서를 부착하고 호흡수를 무선으로 실시간 모니터링했다. 스라소니의 경우 분당 22~23회의 호흡수를 기록해 기존 상용 생체신호 모니터와 완벽히 일치하는 정확도를 보였다. 시베리아 호랑이에서는 마취로 인해 분당 2~3회로 극도로 느려진 미약한 호흡까지 정확히 포착해냈다. 이는 기존 임상용 전기신호 기반 장비로는 감지되지 않던 생체 신호를 정밀 측정해 낸 쾌거다.

진 교수는 "극지연구소와의 긴밀한 협력을 통해 통제가 극히 어려운 대형 야생동물 현장에서 호흡을 실시간 측정함으로써 기술의 뛰어난 실용성과 신뢰성을 검증했다"며 "향후 인체 웨어러블 헬스케어 기기는 물론 생태 보전을 위한 야생동물 원격 바이오 모니터링 등 다방면에서 핵심 센서 기술로 활용될 것으로 기대한다"고 말했다.

박호수 기자 lake@asiae.co.kr