헬스케어 및 차세대 맞춤형 고성능 센서 구현 기술 개발
헬스케어 및 차세대 맞춤형 고성능 센서 구현 기술 개발
  • 임도이
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  • 승인 2022.08.04 12:00
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(왼쪽부터) 카이스트 박인규 교수, 한국생산기술연구원 조한철 박사, 카이스트 정영 박사, 카이스트 최중락 박사과정.
(왼쪽부터) 카이스트 박인규 교수, 한국생산기술연구원 조한철 박사, 카이스트 정영 박사, 카이스트 최중락 박사과정.

[헬스코리아뉴스 / 임도이] 국내 연구진이 온도에 따라 풍선과 같이 팽창하는 마이크로 입자를 이용하여 웨어러블 기기 센서에 활용할 수 있는 불규칙한 마이크로 돔 구조 제작 기술을 개발했다.

4일 한국연구재단에 따르면, 한국과학기술원(KAIST) 박인규 교수, 한국생산기술연구원 조한철 박사 연구팀은 3D 마이크로 구조 기반의 센서 표면 형태 제어 기술과 이를 압력센서에 적용할 수 있는 원천기술을 개발했다.

최근 인간-전자기기 상호작용 기술의 중요성이 높아짐에 따라, 표면에 3D 마이크로 구조를 갖는 필름을 사용하여 센서의 민감도나 응답속도 등을 증가시키려는 연구가 활발히 진행되고 있다.

센서에 이용되는 기존 필름은 원하는 패턴으로 준비된 틀에 액상 탄성중합체를 부어 만드는 몰딩 방식에 의존하기 때문에, 별도의 몰드 제작이 필요할 뿐만 아니라 3D 마이크로 구조의 크기, 밀도 등을 제어하는 데 한계가 있어 제작에 어려움이 있었다.

* 탄성중합체 : 고무처럼 탄성이 좋은 고분자 화합물을 통틀어 이루는 말로, 합성 고무 등이 있다.

이에 연구팀은 특정 온도를 가하면 기존 대비 크기가 3배 이상 팽창하는 마이크로캡슐과 탄성중합체를 혼합하여 유연한 필름을 제작, 간단한 열처리를 통해 필름 표면에 3D 마이크로 돔 구조 형성이 가능하다는 사실을 확인했다.

연구팀이 제작한 필름을 고감도 유연 압력센서에 적용한 결과, 표면에 형성된 불규칙한 3D 마이크로 돔 구조가 규칙적인 구조에 비해 작은 힘에도 큰 변형과 압축으로 신호를 받아들여 기존 몰딩 방식 압력센서 보다 약 3배 높은 감도를 보였다.

이렇게 개발된 센서는 물 1방울과 같은 미세한 질량의 압력까지도 정밀하게 감지하였으며, 다양한 센서 평가(검출한계, 내구성, 응답속도 등)에서도 기존과 유사한 성능을 나타냈다. 검출한계는 그 기기 자체로부터 발생하는 잡음으로부터 분석물이 나타내는 신호를 구분할 수 있는 분석물의 최소량을 말한다. 

개발된 압력센서는 손가락의 미세한 맥박 변화까지도 정교한 감지가 가능하였으며, 손목의 움직임 감지로 마우스 커서를 움직일 수 있는 ‘대면적 어레이 센서’ 구현을 통해 인간-컴퓨터 상호작용 기술 활용의 가능성을 검증했다. ‘대면적 어레이 센서’는 개발된 센서를 여러 개 배열하여 외부에서 가해지는 힘의 크기 및 위치를 감지할 수 있는 기술이다.

박인규 교수는 “이번 연구는 온도에 의해 팽창하는 입자를 통해 3D 마이크로 구조를 형성하는 새로운 제작 방법을 고안한 것”이라며, “지속적인 연구를 통해 실시간 건강정보 확인, 인간-기계 상호작용, 전자 피부 등 다양한 분야에서의 활용 가능성을 기대한다”고 말했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구, 신진연구 및 교육부와 한국연구재단이 추진하는 창의·도전연구사업 등의 지원으로 수행됐다. 연구 성과는 재료 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)’에 7월 4일(한국시간) 정식출간본 표지 논문으로 게재되었다.

(그림1) 열팽창성 마이크로캡슐 입자의 팽창 메커니즘 (좌) 및 팽창 전/후의 관찰 사진온도에 의해 팽창하는 열팽창성 마이크로캡슐 입자의 상변화 메커니즘과 팽창 전/후의 크기가 변한 것을 관찰한 사진입니다.
[그림1] 열팽창성 마이크로캡슐 입자의 팽창 메커니즘 (좌) 및 팽창 전/후의 관찰 사진

온도에 의해 팽창하는 열팽창성 마이크로캡슐 입자의 상변화 메커니즘과 팽창 전/후의 크기가 변한 것을 관찰한 사진이다.
(그림2) 유연 압력센서의 구조                         열팽창성 마이크로 캡슐을 통해 제작된 불규칙한 마이크로 돔 구조를 활용하여 고감도의 유연 압력센서로 활용하였습니다. 상부의 층은 3D 마이크로 구조가 형성된 유연 필름에 금속을 증착하여 전도성 특성을 부여하였으며, 하부층은 레이저에 의해 유도된 그래핀 전극을 이용하였습니다.
[그림2] 유연 압력센서의 구조

열팽창성 마이크로 캡슐을 통해 제작된 불규칙한 마이크로 돔 구조를 활용하여 고감도의 유연 압력센서로 활용했다. 상부의 층은 3D 마이크로 구조가 형성된 유연 필름에 금속을 증착하여 전도성 특성을 부여하였으며, 하부층은 레이저에 의해 유도된 그래핀 전극을 이용했다.
(그림3) 유연 압력센서의 애플리케이션, 손가락형 압력센서 (좌), 대면적 어레이 센서 (우)        개발된 3D 마이크로 구조가 형성된 유연 필름을 이용하여 사용자 맞춤형 애플리케이션에 적용한 내용입니다. 손가락형 압력센서를 제작하여 미세한 맥박 감지에 적용하였으며 대면적 어레이 센서를 개발하여 손목의 움직임을 감지하고 기계 학습을 통해 마우스 커서를 움직이는 것에 적용하였습니다.
[그림3] 유연 압력센서의 애플리케이션, 손가락형 압력센서(좌), 대면적 어레이 센서(우)

​​​​​​​개발된 3D 마이크로 구조가 형성된 유연 필름을 이용하여 사용자 맞춤형 애플리케이션에 적용한 내용이다. 손가락형 압력센서를 제작하여 미세한 맥박 감지에 적용하였으며 대면적 어레이 센서를 개발하여 손목의 움직임을 감지하고 기계 학습을 통해 마우스 커서를 움직이는 것에 적용했다.
(그림4) 선정된 표지 논문(Back cover article)
[그림4] 선정된 표지 논문(Back cover article)

 


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