국내 연구진이 온도에 따라 풍선과 같이 팽창하는 마이크로 입자를 이용하여 웨어러블 기기 센서에 활용할 수 있는 불규칙한 마이크로 돔 구조 제작 기술을 개발했다.
한국연구재단은 박인규 교수(한국과학기술원), 조한철 박사(한국생산기술연구원) 연구팀의 공동연구로 3D 마이크로 구조 기반의 센서 표면 형태 제어 기술과 이를 압력센서에 적용할 수 있는 원천기술을 개발했다고 밝혔다.
최근 인간-전자기기 상호작용 기술의 중요성이 높아짐에 따라, 표면에 3D 마이크로 구조를 갖는 필름을 사용하여 센서의 민감도나 응답속도 등을 증가시키려는 연구가 활발히 진행되고 있다.
센서에 이용되는 기존 필름은 원하는 패턴으로 준비된 틀에 액상 탄성중합체(고무처럼 탄성이 좋은 고분자 화합물을 통틀어 이루는 말로, 합성 고무 등이 있다.)를 부어 만드는 몰딩 방식에 의존하기 때문에, 별도의 몰드 제작이 필요할 뿐만 아니라 3D 마이크로 구조의 크기, 밀도 등을 제어하는 데 한계가 있어 제작에 어려움이 있었다.
이에 연구팀은 특정 온도를 가하면 기존 대비 크기가 3배 이상 팽창하는 마이크로캡슐과 탄성중합체를 혼합하여 유연한 필름을 제작, 간단한 열처리를 통해 필름 표면에 3D 마이크로 돔 구조 형성이 가능한 것을 확인했다.
또한, 제작한 필름을 고감도 유연 압력센서에 적용한 결과, 표면에 형성된 불규칙한 3D 마이크로 돔 구조가 규칙적인 구조에 비해 작은 힘에도 큰 변형과 압축으로 신호를 받아들여 기존 몰딩 방식 압력센서 보다 약 3배 높은 감도를 보였다.
이렇게 개발된 센서는 물 1방울과 같은 미세한 질량의 압력까지도 정밀하게 감지하였으며, 다양한 센서 평가(검출한계*, 내구성, 응답속도 등)에서도 기존과 유사한 성능을 나타냈다.
* 검출한계: 그 기기 자체로부터 발생하는 잡음으로부터 분석물이 나타내는 신호를 구분할 수 있는 분석물의 최소량
또한, 개발된 압력센서는 손가락의 미세한 맥박 변화까지도 정교한 감지가 가능하였으며, 손목의 움직임 감지로 마우스 커서를 움직일 수 있는 대면적 어레이 센서* 구현을 통해 인간-컴퓨터 상호작용 기술 활용의 가능성을 검증하였다.
* 대면적 어레이 센서 : 개발된 센서를 여러 개 배열하여 외부에서 가해지는 힘의 크기 및 위치를 감지할 수 있는 기술
박인규 교수는 “이번 연구는 온도에 의해 팽창하는 입자를 통해 3D 마이크로 구조를 형성하는 새로운 제작 방법을 고안한 것”이라며, “지속적인 연구를 통해 실시간 건강정보 확인, 인간-기계 상호작용, 전자 피부 등 다양한 분야에서의 활용 가능성을 기대한다”라고 전했다.
과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구, 신진연구 및 교육부와 한국연구재단이 추진하는 창의ㆍ도전연구사업 등의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 재료 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)’에 7월 4일(한국시간) 정식출간본 표지 논문으로 게재되었다.
