사람의 피부처럼 느끼는 다기능 초감도 센서 개발

사람의 피부처럼 느끼는 다기능 초감도 센서 개발

“미세한 생체신호 관찰 착용 가능한 의료기기 개발 가능성 열어”

그림 . 연구진의 유연한 초감도 센서의 개략도 (아래부터 위 순서로, 고분자 기판 (PDMS), 금속 코팅된 고분자 나노 섬모의 상하부 결합 (Polyurethane/Pt), 하부와 동일한 고분자 기판 (PDMS))/그림 b. 연구진의 유연한 초감도 센서 사진 (가로 9 cm × 13 세로 cm)/그림 c. 나노 섬모의 전자 현미경 사진

생체와 비슷한 미세한 섬모를 붙여 사람의 피부처럼 누르거나 당기거나 비트는 미세 자극을 감지할 수 있으면서 얇고 쉽게 휘어지는 센서를 국내 연구진이 개발해 인공 피부센서 개발에 새로운 지평을 열었다. 

(섬모(纖毛, cilium) : 애벌레 같은 유생(幼生)의 체표(體表), 포유류의 기관상피 등에 널리 존재하는 움직일 수 있는 세포소기관으로, 가는 단백질 필라멘트로 된 원통모양

서울대 서갑양 교수(40세)가 주도하고 방창현 박사(제1저자)와 안성훈 교수 등이 참여한 이번 연구는 교육과학기술부(장관 이주호)와 한국연구재단(이사장 이승종)이 추진하는 중견연구자(도약연구) 및 선도연구센터(ERC) 지원사업의 지원으로 수행됐고, 세계 최고 과학전문지인 ‘네이처’의 자매지로서 나노기술과 재료 분야의 권위 있는 학술지인 ‘Nature Materials ’최신호(7월 29일자)에 게재됐다. (논문명: A flexible and highly sensitive strain-gauge sensor using reversible interlocking of nanofibres) 

최근 전 세계적으로 종이처럼 둘둘 말아서 들고 다닐 수 있는 노트북 같이 얇고 쉽게 휘어지는 전자기기부터, 얇고 투명해 손목 등에 찰 수 있는 피부 부착형 장치나 사람 몸에 넣어 외부의 자극이나 미세한 생체신호를 감지해 건강상태를 알려주는 다기능 센서 등을 개발하고자 집중적으로 연구하고 있다. 

그러나 지금까지 알려진 피부와 비슷하게 만든 센서들은 피부처럼 다양한 기능을 구현하기 위해 많은 양의 복잡하고 미세한 소자들이 필요하거나, 매우 작아서 다루기 어렵거나 인체의 유해성이 검증되지 않은 소재(나노선, 나노튜브 등)들을 사용하는 등 우리가 필요로 하는 센서를 제작하는데 한계가 있었다. 

서갑양 교수 연구팀은 매우 작은(나노미터, 10억분의 1미터) 크기의 고분자 섬모를 붙여, 피부처럼 유연하면서도 다양한 미세자극을 감지할 수 있는 센서 개발에 성공했다.

특히 서 교수팀이 개발한 유연한 센서는 저렴한 공정(모세관력 리소그래피 공정)으로 제작된 고분자/금속 나노 섬모를 결합해 제작방법이 간단하고, 아주 작은 자극도 감지할 수 있으며(사람이 감지하는 작은 힘의 약 0.005정도), 수많은 작은 트랜지터가 필요 없어 기존에 개발된 센서에 비해 저렴하면서도(기존 대비 수백 배) 넓은 면적으로(가로 9㎝×세로 13㎝, 기존 대비 약 2~5배) 제작할 수 있는 것이 특징이다. 

또한 연구팀의 센서는 하나의 미세 패턴구조로 만들어져, 사람의 피부처럼 누르거나 당기거나 비트는 감각을 동시에 감지할 수 있다. 아울러 이 센서는 1만회 이상 반복적인 강한 압력에도 안정적으로 작동했고, 간단한 회로 설계를 이용해 총 64개의 작은 센서로 공간을 분할할 수 있어 사람의 피부와 매우 흡사하다. 

그리고 이 센서는 눈 깜짝할 시간에 일어나는 작은 물방울의 충돌도 실시간으로 감지할 수 있고, 손목에 센서를 넣어 맥박의 변화와 혈관의 압력 차이 등 미세한 생체신호를 관찰할 수 있어 휴대용 의료기기로 개발할 수 있는 가능성을 보였다. 

서갑양 교수는 “이번 연구는 누르거나 당기거나 비트는 감각까지 피부처럼 감지하는 센서 개발로, 향후 다양한 생체신호를 실시간으로 감지해 담당의사에게 전달하는 의료기기나 신개념 IT 터치패드 기술, 로봇 기술 등 다양한 분야에 활용될 수 있을 것으로 기대된다”고 연구의의를 밝혔다

산업일보 나미진기자