학과소식

웨어러블 헬스 모니터링 시스템을 위한 초 광대역 압력 센서 개발

관리자 2021.06.09


그림 1. Advanced Healthcare Materials 표지


그림 2. 광대역 압력 범위 측정이 가능한 미세구조 전도성 복합체 기반의 압력 센서 원리와 구조 최적화



그림 3. 넓은 압력 측정 범위와 안정적인 성능의 압력 센서 및 풀업 압력 측정 및 파워 리프팅 시 압력 측정 어플리케이션
 


(좌측부터) 박인규 교수, 정용록 연구원, 구지민 박사과정
 

KAIST 기계공학과 박인규 교수 연구팀에서 파워리프팅 운동 시 동작 불균형 구분에 활용이 가능한 광대역 압력 범위 측정이 가능한 미세구조 전도성 복합체 기반의 웨어러블 압력 센서를 개발했습니다.
 
정용록 연구원, 구지민 박사과정 학생이 제 1저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 ‘어드밴스드 헬스케어 머터리얼스 (Advanced Healthcare Materials)’2021년 5월 5일자 표지논문에 게재되었습니다. (논문명: Ultra-Wide Range Pressure Sensor Based on a Microstructured Conductive Nanocomposite for Wearable Workout Monitoring)
 
최근 헬스 케어에 대한 관심이 커짐에 따라, 관련 분야에 활용 가능한 소프트 압력 센서에 대한 연구가 활발히 진행되고 있습니다. 하지만 기존의 소프트 센서에 사용된 폴리머들은 압력에 따른 변형의 포화가 필요한 압력 범위에 비해 비교적 좁아 그 응용에 충분하지 않습니다. 특히 파워리프팅 운동 시 최대 2 MPa 상당의 압력값의 감지가 필요한데, 이는 기존의 소프트 압력 센서로는 쉽게 달성하기 어려운 기준입니다.
 
본 연구에서는 기존 소프트 압력 센서의 한계점을 극복하고자 최적화된 미세 구조를 활용, 넓은 압력 감지 범위를 갖는 압력 센서를 제작하여, 운동 압력 모니터링에 이를 적용했습니다. 제작된 센서는 각각 장갑(바벨)과 신발에 부착되어 운동중 압력의 모니터링이 진행되었으며, 이는 상관관계 분석을 통해 운동시의 밸런스 분석에 사용되었습니다. 제안된 시스템 및 분석 방법을 통하여 각 동작의 평가가 이루어질 수 있음을 보였으며, 나아가 파워리프팅 등의 운동뿐만 아니라 치매 환자 등의 재활 치료에도 활용될 수 있음이 시사되었습니다.
 
제안된 센서는 전극층과 미세 구조 폴리이미드 (Polyimide, PI) / 탄소 나노 튜브 (Carbon nanotube, CNT) 복합 층 사이의 접촉 저항 변화를 통해 압력을 측정합니다. 연구팀은 광범위한 압력 범위를 유지하면서도 감도를 최대화하기 위해, 계산 시뮬레이션을 통해 미세 구조의 최적화를 진행하였으며, 이 결과에 따른 센서 제작 공정을 통해 결과적으로 0 ~ 3000 kPa의 동작 범위에서 0.23 ~ 5.66 MPa-1의 감도 및 1000 사이클의 반복 압력에 대한 신뢰성을 가진 팁이 평평해진 마이크로 돔 기반 압력 센서를 개발하였습니다.
 
연구팀은 이러한 센서를 기반으로 센서를 손과 발의 압력 모니터링 모듈로 구성된 운동 압력 모니터링 시스템에 내장하여 손목 맥박 (~ 15 kPa)에서 파워리프팅 시의 손에 가해지는 압력 (~ 2 MPa)에 이르는 다양한 체압을 모니터링 하는 데 활용하였습니다. 즉, 제작된 시스템은 넓은 압력 범위의 다양한 운동 모니터링에 활용될 수 있음을 확인하였으며, 이에 더하여 도출된 압력값을 Pearson의 상관 계수 (Pearson’s Correlation Coefficient, PCC) 분석을 통해 파워 리프팅 운동 중의 균형 모니터링에 활용 및 분석하였습니다.
 
박인규 교수는 “본 연구에서는 기존의 소프트 압력 센서가 갖는 한계인 동적 측정 범위를 나노 구조 최적화를 통해 극복하였으며, 이를 헬스 트레이닝 중에서도 파워 리프팅 동작 불균형 구분에 활용하여 운동 시 발생할 수 있는 부상을 예방할 수 있는 우수한 성능의 헬스 케어 트레이닝 시스템을 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.
 
논문링크: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adhm.202001461