그래핀 + 탄소나노튜브 복합소재 이용 센서개발

ETRI, 그래핀기반 직물형 센서 개발

- 1 x 3cm로 제조 장갑에 붙여..향후 로봇, 義手·足 적용 

- 천에 코팅하듯 그래핀 입혀 웨어러블 시장 활짝 열어 

- 10만번 구부려도 可, 우수한 전도·소수·유연·내구성 갖춰

국내 연구진이 처음으로 그래핀과 탄소나노튜브를 결합, 면섬유에 코팅해 여러 번 구부리거나 눌러도 방수되고 높은 전도성을 갖는 직물형 센서개발에 성공했다.

한국전자통신연구원(ETRI)은 면섬유와 같은 직물을 그래핀 및 탄소나노튜브를 섞은 용액에 담갔다 빼고 건조공정을 통해, 압력 및 변형정도(Strain)를 동시 측정 가능한 직물형 복합센서 개발에 성공했다고 26일 밝혔다.

연구진은 제작한 센서를 면장갑에 접목, 손가락 동작에 따른 움직임을 감지하는 모션센서 제작에도 성공했다. 본 성과는 미국화학회 나노분야 국제학술지인‘응용재료 인터페이스’(AMI) 온라인에 지난달 8일자에 등재되었다고 말했다.

그동안 센서의 경우, 전기가 잘 통하는 전도성 계열 금속이 주로 활용되었다. 하지만, 금속은 구부리기가 힘들고 반복하면 쉽게 끊어지는 등 유연성과 내구성이 약해 상용화가 힘들었다. 

연구진은 얇으면서도 단단하고 땀이나 약품 등 화학적으로도 안정성이 뛰어난 센서를 개발했다. 특히 세탁을 해도 문제가 없는 방수특성이 있고 별도의 기능보완을 하지 않아도 된다. 

이번 연구개발 성과의 핵심은‘환원 그래핀’과‘탄소나노튜브’를 결합했다는 점이다. 이로써 압력 및 변형정도 측정 직물형 복합센서를 구현한 것이다. 센서의 크기는 1 x 3cm 정도다. 수십 cm 까지 대면적으로도 제작이 가능하고 디자인이나 크기에 제한이 없고 천에 바로 적용하여도 문제없음을 확인했다.

본 기술은 재료자체가 센서이다 보니 마치 천에 코팅을 입히는 것과 같다. 염료를 코팅하듯 전도성 그래핀을 입힌 것이다. 따라서 원하는 만큼 잘라서 센서로 활용이 가능하다. 

‘환원 그래핀’은 연필심의 재료인 흑연을 산화시켜 만든 산화 그래핀에 화학적으로 환원처리 했다. 산화 그래핀이 절연체이다 보니 전도성을 띄게 하기 위해선 이처럼 산화 그래핀에서 산소(O2)를 제거해야 한다. 

이러한 과정을 거쳐 만들어진 그래핀기반 직물형 센서는 대량생산이 가능하고, 우수한 전기 전도성, 물에 잘 젖지 않는 소수성(疏水性), 우수한 유연성, 대면적화 등 다양한 특성을 갖게 만들 수 있다. 본 연구에서 고품질의 환원 그래핀 용액 제조 과정은 한국화학연구원의 안기석 박사팀이 연구를 진행했다.  

한편,‘탄소나노튜브’는 열전도율 및 기계적, 전기적 특성이 우수하여 다양한 구조 물질의 첨가제로 활용이 된다.

ETRI 연구진은 두 가지 소재의 장점을 활용, 탄소나노튜브를 그래핀이 코팅된 직물과 접목, 전기전도도를 증가시켰고 탄소나노튜브의 복잡한 네트워크 구조로 10만 번 이상을 구부리거나 압력을 진행해도 내구성에 문제가 없었다고 설명했다.

연구진은 개발한 센서를 웨어러블 소재인 장갑에 적용해 보고 향후 로봇의 손, 또는 손발이 불편해 의수, 의족을 착용하는 환자들에게 보급할 계획이라고 밝혔다. 

아울러 침대, 차량좌석 등에는 어레이 형태로 제작, 위치에 따라 압력 강도측정이 가능케 만들어 수면시간 동안 생체신호를 읽어 숙면 정도를 신호로 읽거나 졸음 시 알람을 줄 수 있다. 특히 자세가 중요한 육상 운동선수의 경우, 유니폼, 장갑, 양말 등 스포츠 의류 등에 센서를 장착해 스타트 모션 동작을 신호로 읽어 최적의 자세를 찾을 수 있게 될 수 있다고 설명했다.

ETRI ICT부품소재연구소 신소자연구그룹 최춘기 박사는“복합센서가 측정 범위의 변화에 따라 선형성을 유지하면서 측정 과정이 수초 내에 이뤄지는 등 센싱 성능의 우수성도 확인했다”고 말했다.  

이번 논문의 제1저자는 ETRI 김성준 박사이고, 최춘기 박사가 교신저자이다. 공동교신저자로 한국화학연구원 안기석 박사가 참여했고 동 연구원 송우석 박사, ETRI 이윤식 박사, 민복기 박사, 과학기술연합대학원 (UST) 슈브라몬달 박사 과정 학생이 연구에 참여했다. 

본 과제는 2011년부터 연구가 시작되었고 과학기술정보통신부 지원으로 개발 중에 있으며 그동안 SCI급 논문 30여건, 미국특허 포함 30여건의 성과를 냈다.

ETRI는 향후 스트레인-압력 복합센서를 응용하여 웨어러블 센서 관련업체나 장애인을 위한 의수-의족 관련업체, 침대업체, 자동차 관련 부품업체 등에 기술이전 등을 통해 기술 상용화를 위해 노력한다는 계획이다.  <보도자료 본문끝>

[배포번호:2018-15호]