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박인규 교수, 광투과 방식 웨어러블 유연 인장 센서 개발

관리자 2020.03.10

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<ACS APPLIED MATERIALS&INTERFACES 전면 표지 이미지>
<광 투과도 변화를 활용한 탄소나노튜브 기반 유연 인장 센서 구조>
<높은 감도와 안정적 성능의 유연 인장 센서 및 신체 굽힘 측정>
<자세 모니터링 3축 센서, 경동맥 근처의 맥박 모니터링 측정>
  
<(좌측부터) 박인규 교수, 구지민 박사과정 학생>


KAIST(총장 신성철) 기계공학과 박인규 교수 연구팀에서 신체 동작 및 자세 모니터링에 활용이 가능한 탄소 나노튜브 –탄성 중합체 복합소재의 광 투과도 변화 기반 웨어러블 유연 인장 센서를 개발했습니다.
 
본 기술을 통해 인체의 다양한 관절 굽힘 동작, 자세, 맥박 및 얼굴 표정 등 다양한 생체 모션을 연속적으로 측정하여, 운동 시 관절부 움직임 자세 교정 및 맥박 측정을 통한 헬스케어 모니터링 시스템등에 활용할 수 있을 것으로 기대됩니다.
 
구지민 박사과정 학생이 제 1저자로 참여한 이번 연구는 나노기술 분야의 국제 학술지 ‘ACS Applied Materials & Interfaces’3월 4일자 전면 표지논문에 게재되었습니다. (논문명: Wearable Strain Sensor Using Light Transmittance Change of Carbon Nanotube Embedded Elastomer with Microcrack)
 
최근 헬스케어에 대한 관심이 커짐에 따라 웨어러블 유연 센서 개발이 활발히 진행되고 있습니다. 특히 인체에 적용하는 센서로서 유연 소재를 기반으로 다양한 전기저항식, 정전용량 방식의 플랫폼을 이용한 인장 센서가 많이 개발되어 오고 있지만, 기존의 전기저항식 센서의 경우, 센서의 장시간 반복 신호 안정성, 선형성에 한계를 보이며, 정전용량식 센서의 경우 외부 전기장의 영향에 취약하고 센서 민감도가 낮다는 한계를 보여왔습니다. 이러한 점을 보완하기 위해 광학 방식의 유연 인장 센서가 개발되었으나 여전히 민감도가 낮다는 한계점이 있었습니다.
 
본 연구에서는 탄소 나노튜브가 함침된 탄성중합체의 인장에 따른 광투과도 변화 현상을 활용하여 수 %의 작은 인장률부터 400%에 달하는 큰 인장률까지 넓은 범위의 인장률을 안정적으로 측정할 수 있는 유연 인장 센서를 개발하였습니다. 외부 인장에 따라 탄성 중합체에 함침된 탄소 나노튜브 필름에 크랙이 형성되어 광 투과도를 크게 변화시켜, 기존의 광학 방식 인장센서에 비해 10배 이상의 높은 감도를 갖는 인장 센서를 개발할 수 있었습니다. 뿐만 아니라 개발된 유연 인장 센서는 13,000회 이상의 인장 변형에도 안정적인 신호 회복을 보이고, 다양한 환경 요인(온도, 습도)에도 안정적인 감지 성능을 보여 웨어러블 디바이스로써 활용될 수 있는 큰 가능성을 보였습니다.
 
연구팀은 이러한 성능을 바탕으로 손가락 굽힘 모션을 측정하여 이를 로봇 컨트롤에 활용하였으며, 또한 3축 센서로 패키징 하여 인체 자세 모니터링에 활용할 수 있었습니다. 또한, 경동맥 근처의 맥박 모니터링 및 발음 시 입 주변 근육 움직임 등 미세한 모션도 모니터링할 수 있었습니다.
 
박인규 교수는 “본 연구에서는 기존의 전기저항식, 정전용량식 및 광학방식의 유연 인장률 센서가 갖는 한계점들을 극복할 수 있는 새로운 플랫폼을 개발했으며, 헬스케어, 엔터테인먼트, 로보틱스 등 다양한 분야에 널리 활용될 수 있는 우수한 성능의 웨어러블 센서를 실현하였다.”고 말했습니다.
 
이번 연구는 한국연구재단의 중견 연구 과제 (올인원 스마트 스킨을 위한 웨어러블 멀티센서 시스템 핵심기술 연구)와 선도연구센터지원 사업 (초정밀 광 기계기술 연구센터)의 지원을 통해 수행되었습니다.