박재영 교수팀, 맥박, 심박, 호흡, 발성까지 측정 가능한 탄소나노섬유센서 개발

- PANI-나노스파인 구조를 갖는 탄소나노섬유 기반 고성능 웨어러블 압력센서 개발

- 웨어러블 스마트 의료/헬스케어, 전자피부, 로봇, 메타버스 등에 핵심기술로 활용 기대 -

- 국제 저명 학술지 엘시비어 나노에너지 저널에 (IF:17.88) 게재-

본교 박재영 교수팀은 맥박, 심박수, 호흡, 발성 등 인체의 크고 작은 다양한 생체신호의 감지 및 실시간 모니터링이 가능한 웨어러블 유연 압저항 센서를 개발했다. 기존 센서에 비해 넓은 선형범위의 압력 (0-50kPa)에서 초고감도와 초저검출한계 등 성능이 탁월하여 웨어러블 스마트 의료/헬스케어, 전자피부, 휴머노이드 로봇, 메타버스 등에 핵심기술로 폭넓게 활용될 것으로 기대된다.

<박재영 교수(좌)와 수딥 박사과정(우)>

최근 4차 산업혁명의 도래와 함께 ICT-센서융합 기술의 혁신으로, 스마트센서 제품 수요가 급증할 것으로 전망되고 있다. 특히 휴먼-머신 인터페이스, 웨어러블 의료/헬스케어, 지능형 로봇, 스포츠 산업 등에 폭 넓게 활용이 가능한 고성능의 웨어러블 유연 압력센서 기술에 대한 관심이 크게 증대되고 있다.

본 연구팀은 폴리아크릴로니트릴 (polyacrylonitrile), 셀룰로오스 (cellulose ), 멕신 (MXene)을 혼합한 용액과 전기방사 기술을 이용하여 나노섬유를 제작하고, 고온에서 탄화시켜 전도성을 갖는 탄소나노섬유를 제작하였다. 셀룰로오스와 멕신의 사용은 가교 및 H-결합 형성을 통해 폴리머 백본을 강화시키는 역할을 한다. 제자리 중합 증착 기술 (in-situ polymerization)을 적용하여 탄소나노섬유의 전체 표면에 전도성고분자 (PANI)-나노스파인 구조체를 고르게 형성한 멤브레인을 제작하였다. 3개의 멤브레인 (반경: 0.5 cm, 두께: 300 ？m)을 적층하고 두 개의 유연 전극 층 사이에 삽입한 후 센서의 가장자리 부분을 접착하는 순서의 공정으로 고성능의 유연 저항형 압력센서를 제작하였다. 탄소나노섬유 표면에 형성한 PANI-나노스파인 구조는 기존 마이크로-나노구조에 비해 더 큰 표면 거칠기와 접촉 면적을 형성함으로써 더 큰 차이의 저항을 생성하여 압력 감도를 크게 향상시켰고, 적층형의 탄소나노섬유 멤브레인 구조는 기존의 필름 형태와 달리 더 큰 압축성과 더 낮은 점탄성을 나타냄으로써 더 넓은 선형 측정 압력 범위의 성능을 얻을 수 있었다.

두 가지 기하학 (적층적 섬유 구조 및 PANI-나노스파인)의 시너지 효과를 이용하여 제작된 유연 압력센서는 0？50 kPa의 넓은 측정 압력 범위에서 179.1 kPa？1의 초고감도와 1.2 Pa의 낮은 압력을 구별하여 측정할 수 있었고, 10,000회 이상의 연속 반복 실험에서도 성능이 저하되지 않는 우수한 내구성을 보였다. 실시간 연속 맥박 신호 모니터링을 통한 심혈관 질환 진단을 위해 감지된 신호를 모바일 플랫폼으로 전송하기 위한 무선 시스템 (Bluetooth, 마이크로컨트롤러 및 신호 조절 회로 포함)도 개발되어 성공적으로 시연되었다.

이번 연구는 한국 연구재단 바이오의료기술개발사업(NRF-2017M3A9F1031270)과 중견연구과제(NRF-2020R1A2C2012820)의 지원을 받아 수행되었고, 연구 성과는 세계 최고의 나노 소자 및 에너지 전문저널인 엘시비어 출판의 나노에너지 (Nano Energy, IF:17.88) 저널에 게제 되었다.

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285522000556

<나노스파인 구조의 전도성고분자가 형성된 탄소나노섬유를 감지막으로 이용한 

초고감도 웨어러블 저항형 압력센서 구조 및 성능>