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배포일자 : 2018.10.18.(목)				배포번호 : 2018-63호
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매수 : 보도자료 3매(사진 6매), 참고자료 2매						배포처 : ETRI 성과홍보실

국내 연구진이 장애인의 의수(義手)나 의족(義足), 로봇에 직접 부착이 가능한 고무형태의 압력센서 개발에 성공했다. 이로써 향후 본 센서를 활용하면 사람의 신경조직과 같은 역할을 하게 되어 감각을 느끼는데 도움을 줄 전망이다.

한국전자통신연구원(ETRI)은 올해 초 그래핀 복합소재 기반 직물형 센서 개발을 한데 이어 이번에는 센서를 고무형으로 만들었다. 이로써 수 천번 구부리거나 늘려도 높은 재현성을 갖고 기존 센서 대비 10배이상 높은 민감도의 고무형 압력 및 변형(Strain) 복합센서 개발에 성공했다.

연구진은 테스트용으로 1cm x 1cm의 센서를 만들었다. 센서 크기는 향후 조정이 가능하다. 일단, 장갑용이나 손가락에 적용 가능케 만들어 작은 크기로도 손가락 등에 붙여 작은 압력 반응에도 민감도를 극대화 시킨다는 계획이다.

ETRI는 기존 압력센서들이 민감도 확보가 가능하지만, 압력의 변화에 따른 반응은 낮아 이를 해결하는데 힘썼다고 밝혔다.

연구진은 또한 면적이나 길이가 변함에 따라 저항이 변하는 저항형 센서 방식을 사용하였다. 이는 저항의 변화로 센서 동작여부를 손쉽게 확인이 가능하기 때문이다.

특히 사람의 피부에 적용키 위해서는 딱딱하거나 피부와의 이질감이 들지 않는 소재를 찾기 위해 노력했다. 그래서 탄성이 좋고 인체에 무해한 에코플렉스(Ecoflex)라는 고무형 재질을 선택했다고 설명했다.

연구진은 3차원 그래핀의 경우 스펀지 형태와 비슷해 손으로 눌렀다 떼게 되면 길이나 면적 변화시 저항이 변하게 됨을 알 수 있다고 설명했다. 스펀지 표면이 그래핀으로 코팅되어 있어 전도성을 가지기 때문에 수직으로 압력을 가할 때 표면적 변화에 따른 저항 변화를 알 수 있다.

이후 그래핀 스펀지의 표면에 이황화 몰리브덴(MoS2)을 이용하여 양각의 평면 쉬트를 만든 후에 유연한 고분자인 에코플렉스를 결합시켜 높은 민감도를 가지면서 유연한 고무형 센서를 만들 수 있었다고 밝혔다. 이로써 우수한 전기전도도를 가지면서 낮은 압력 변화에도 높은 민감도를 나타내는 센서를 제작했다.

연구진은 이와 같은 고무형 센서가 향후 의수나 의족, 로봇에 먼저 적용이 가능하고 병원의 재활치료에도 큰 도움을 줄 것으로 내다보고 있다.

특히 재활치료의 경우, 재활시 치료과정의 회복 정도를 알기 매우 어려웠는데 본 센서를 이용해 환자에게 붙여 활용하게 되면 치료정도의 정확한 정량 분석이 가능하다고 설명한다.

즉 환자가 팔을 올리는 재활과정에서 피부에 센서를 붙여 측정케 되면 팔 올림에 따른 저항 변화를 쉽게 관측이 가능하다는 것이다.

또 자동차 시트에 본 센서를 붙여 활용케 되면 운전자의 습관을 쉽게 파악이 가능케 되어 장시간 운전 시 나타나는 특유의 질병, 또는 근 골격계 질환의 원인을 알게 되어 치료도 도울 수 있다고 보고 있다.

연구진은 고무형 복합소재를 활용, 손가락, 눈 옆의 관자놀이, 목 뒷부분에 부착, 손가락의 굽힘, 눈 깜박임, 목 구부림에 따른 신체의 움직임을 감지하는 모션센서를 제작했다. 또 터치센서로 응용하기 위해 3 x 3 촉각 센서 모듈 제작에도 성공했다.

특히 연구진은 고무형으로 만든 센서가 저가이며 피부 등에 쉽게 붙일 수 있어 상용화시 유리할 것으로 보고 있다. 아울러 4천 번 이상의 압력 변화를 반복하는 동안 일정한 저항을 유지해 센서 성능저하가 없었다고 말했다.

연구진은 본 기술의 상용화가 2~3년 내 가능할 것으로 보고 있다. 현재 관련기술은 국내·외 특허출원중이고 기술이전은 바로 가능한 수준이라고 밝혔다.

ETRI ICT부품소재연구소 신소자연구그룹 최춘기 박사는“본 센서는 피부에 부착해 신체 움직임이나 자세, 혈압 및 심장 박동수 등을 빠르게 실시간 감지가능 하다. 기계로 된 딱딱한 팔다리 대신 인간 피부와 같은 유연한 생체환경을 제공, 의료재활 분야에 다양하게 활용될 것이다”고 말했다.

연구진은 이렇게 최적화된 1 cm x 1 cm 크기의 단위 센서가 측정 범위의 변화에 따라 선형성(線形性)을 유지하면서 측정 과정이 수백 밀리초 이내에 이뤄지는 등 센싱 성능의 우수성도 확인했다고 설명했다.

본 성과는 미국화학회 나노분야의 국제 학술지 『AMI』지에 지난달 27일자로 온라인 등재되었다. 이번 논문의 제1저자는 ETRI 김성준 박사이며, 최춘기 박사는 교신저자다. 아울러 본 논문에는 ETRI 민복기 박사, 과학기술연합대학원(UST) 슈브라몬달 박사 과정 학생이 연구에 참여했다.

ETRI는 향후 스트레인-압력 복합센서를 응용, 인간의 신체나 피부에 부착하는 유연 촉각 센서 모듈 관련 업체 등에 기술이전을 통한 기술상용화를 위해 노력할 계획이다. <보도자료 본문 끝>

참고1

추가 설명 자료

ETRI 연구진은 세계 최초로 다공성 구조를 가지는 그래핀 구조체의 표면에 양각의 이황화 몰리브덴(MoS2) 나노시트(Nano sheet)가 결합된 복합소재를 유연 고분자 물질(Ecoflex)과 결합, 높은 민감도를 가지면서 수천 번 구부리거나 눌러도 높은 재현성을 갖는 고무형 스트레인-압력 복합센서 개발에 성공했다.

ETRI는 열화학기상증착 (TCVD) 공정을 이용하여 다공성 니켈폼 (Ni foam)에 다층의 그래핀 구조체를 형성한 후, 암모늄 테트라티오몰리브데이트 ((NH4)2MoS4)와 에틸렌글리콜 (Ethylene glycol)을 섞은 용액에 담갔다 뺀 뒤 열처리 공정을 하여, 그래핀 구조체의 표면에 양각 구조의 이황화 몰리브덴 평면 시트를 갈라진 논바닥 형태로 균일하게 형성했다.

이렇게 형성된 나노 구조물은 낮은 압력 변화에도 높은 민감도를 가지며, 여기에 에코플렉스(Ecoflex)라는 인체에 무해한 고분자를 결합시킴으로서 인체에 손쉽게 부착하여 압력 및 스트레인을 동시에 측정할 수 있는 고무형 유연 복합센서 개발에 성공했다. 이 센서는 자세교정 및 졸음방지와 같은 인체의 모션을 감지하는 센서로 활용할 수 있다.

연구진은 이번에 개발된 고무형 복합 센서가 인체에 무해하고 쉽게 탈부착이 가능하기 때문에 전자 피부용 (e-skin) 유연 촉각 센서에 손쉽게 적용할 수 있다고 설명했다.

이번 연구개발 성과의 핵심은‘다공성 그래핀폼’표면에‘양각 구조의 이황화몰리브덴 평면시트’를 형성하여 높은 민감도를 가지면서 ‘에코플렉스 (Ecoflex)’의 탄성이 우수한 고분자를 결합하여 수천 번 반복되는 인장과 압축에도 우수한 복원능력을 가지는 고무형 스트레인-압력 복합센서를 구현한 것이다.

‘그래핀폼’은 2차원 평면 구조인 그래핀을 니켈 폼과 같은 다공성 금속 구조체를 촉매로 합성하여 제작된 다공성을 가지는 3차원의 그래핀 구조체를 말하는데, 이는 2차원의 그래핀과 비교하여 넓은 표면적, 낮은 밀도, 그리고 뛰어난 전기적, 기계적 특성을 지니고 있어 이를 다양한 고분자 물질과 결합시켜 센서 응용을 위한 소재로 다양하게 연구되고 있다.

또한‘이황화몰리브덴’은 높은 화학적 안정성 및 우수한 피에조 저항 특성, 높은 기계적 강도 및 유연성을 가지기 때문에 스트레인-압력 센서를 제작하기 위한 소재로 널리 사용된다. 이러한 새로운 복합구조는 기존에 개발된 그래핀폼 기반 압력센서와 비교하여 약 10배 이상 높은 민감도를 가지면서 유연성 및 화학적 안정성을 유지할 수 있는 장점을 가지고 있다.

참고2

논문 인용 설명자료

[갈라진 논바닥 형태의 MoS2/그래핀폼/Ecoflex 나노 복합구조를 가진 고감도 유연 스트레인-압력 복합센서]

그림 1. MoS2/다공성 그래핀 구조체/니켈폼의 주사 전자 현미경 이미지(왼쪽 위). 높은 유연성 및 탄성을 보여주는 MoS2/그래핀폼/Ecoflex 복합소재와 이를 이용하여 제작된 3 x 3 촉각 센서 모듈(오른쪽 위). 눈 깜박임(왼쪽 아래) 및 목 구부림(오른쪽 아래)과 같은 인체 움직임에 따른 저항변화 측정.

그림 2. 압력 측정 장비 사진 (a) 및 인가압력에 따른 센서의 감도(b) 및 내구성(c) 측정.

인장 측정 장비 사진 (d) 및 인장 변형에 따른 센서 감도 측정 (e). 굽힘 변형에 따른 센서의 감도 측정(f).