ETRI·서울대 연구팀, 초고감도 투명 압력 센서 개발

[이데일리 한광범 기자] 국내 연구진이 아주 미세한 압력 변화도 쉽게 알아낼 수 있는 기술을 개발했다. 압력의 강도와 위치뿐 아니라 압력을 가한 물체의 3차원 표면 정보도 알 수 있어 생체인증, 웨어러블 기기, 의료용 보조기기 등 분야에 널리 활용될 전망이다.

한국전자통신연구원(ETRI)은 서울대 연구팀(홍용택 교수, 이병문 연구원)과 함께 나노 복합소재를 이용해 기존보다 민감도가 최대 20배 높은 초고감도 투명 압력 센서를 개발했다고 13일 밝혔다. 연구 성과는 지난달 31일 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 온라인에 게재됐다.

기존 압력 센서는 전극으로 날실과 씨실을 엮듯 십자 패턴을 만들고 맞닿는 부분의 압력에 따라 전도도가 달라지는 센서 물질을 넣어 만들었다. 이런 구조는 감도가 떨어져 미세한 압력 변화를 감지하기 힘들고 압력 신호 데이터를 추가 처리해야만 관련 정보를 볼 수 있다는 한계가 있었다.

ETRI는 새로운 센서 물질로 나노 소재를 이용하고 이를 양자점(Quantum dot) 발광 소자의 적층 구조에 응용해 감도를 높이면서도 압력분포를 바로 볼 수 있게 개발했다. 압력에 의해 접촉된 부분만 발광하는 형태다.

압력 센서를 손가락으로 눌렀을 때 미세한 지문의 골도 높이와 형상을 파악해 발광함을 나타내게 된다. (이미지=ETRI)

연구진은 전도성 고분자 나노 와이어와 나노 셀룰로스를 섞은 복합 소재를 센서 물질로 썼다. 나노 와이어끼리 접촉이 많아지면 전도도가 높아진다는 특성을 이용했다. 접촉량을 늘릴 수 있도록 머리카락 두께의 100분의 1 굵기인 1㎛ 두께의 초박형 투명 고감도 센서로 복합 소재로 만들었다. 1㎛ 센서 층에는 약 100개 층을 쌓을 수 있다.

센서 물질을 적용한 양자점 소자도 만들었다. 전기를 가하면 발광하는 퀀텀닷 구성층 맨 위에 연구진이 개발한 나노 물질을 올려 압력이 가해질 때만 전류가 흘러 빛을 내게 만든 것이다. 연구진은 개발한 센서는 투명하고 두께가 2㎛이고 100㎜ x 100㎜ 크기이며 압력이 가해지면 압력분포 부분이 실시간으로 빨갛게 표시된다. 빛의 3원색인 빨녹파(RGB) 표현도 모두 가능하다.

센서의 민감도도 사람 맥박 표시가 가능할 정도로 뛰어나고 압력의 범위도 손바닥 전체를 누르면 표시할 정도로 넓다. 바늘 침의 압력도 감지 가능한 수준으로 정교하다. 전극을 복잡하게 배열할 필요가 없어 1㎛ 두께로 얇으면서도 감도가 높은 소자를 만들 수 있다. 나노 복합소재 색이 투명하기에 소자도 투명하게 만들 수 있어 다양한 기판에 올려 활용하기도 쉽다.

센서 소재가 유연하고 용액 공정으로 적용하기도 쉬워 넓은 면적의 기판이나 웨어러블 기기를 제작할 때도 유리하다. 소재가 저렴하고 친환경적이기에 신체에 무해하며, 습기 등 생활 오염이 발생하는 환경에서 장기간 사용해도 성능이 안정적으로 지속되는 결과도 확인했다.

ETRI 오지영 책임연구원이 초고감도 압력센서 제작 후, 발광 성능을 시험하고 있다. (사진=ETRI)

연구진이 개발한 센서의 초고감도 성능을 활용하면 물체의 하중 및 물체의 표면이 어떤 모습인지도 구별 가능하다. 실제 연구진은 나뭇잎의 잎맥 형상, 손가락의 지문 모양 및 지문의 깊이 등 아주 작고 세밀한 패턴이 있는 물체의 표면들을 실시간으로 표시하고 데이터 처리를 통해 깊이감이 있는 3D로 표시해냈다.

향후 연구진은 센서를 얇은 박막으로 만들어 피부에 직접 붙이게 되면 맥박이 뛰는 대로 빛이 발생해 신체정보 데이터를 병원내 전송도 가능해질 것으로 보고 있다. 사람의 지문 골의 높낮이 표현도 가능해 생체인식 관련 보안에도 유용할 전망이다. 또 로봇에 본 센서 부착 시 로봇이 느끼는 물체의 거칠기, 매끄러운 정도까지 알 수 있다.

이정익 ETRI 실감소자원천연구본부장은 “연구진이 개발한 초박형 압력 센서는 초고감도 특성을 지녀 생체인증, 웨어러블 기기, 로봇 팔, 터치형 디스플레이, 의족·의수, 전자제품 등 압력 센서가 활용된 분야에 폭넓게 활용이 가능할 것”이라고 기대감을 드러냈다.

연구진은 센서 및 특성 안정성을 추가 검증하는 연구를 진행하면서 보안, 전자, 의료 등 압력 센서 개발 업체 및 관련 산업 분야에 기술을 이전해 나갈 계획이다. 이번 연구는 과학기술정보통신부 ‘스킨트로닉스를 위한 감각 입출력 패널 핵심 기술 개발’, ‘디스플레이 일체형 투명 플렉서블 복합 생체인식 디바이스 핵심기술 개발’ 과제로 지원됐다. 논문 제1저자는 ETRI 플렉시블소자연구실 오지영 박사, 서울대 이병문 박사연구원이다.