착용형 센서 혁신: 정전기 프린팅으로 바인더 없는 초고속 제조

남플로리다 대학교 기계공학과 잉 중(Ying Zhong) 조교수와 팀이 폴리머 바인더 없이 착용형 센서를 프린팅하는 새로운 방법을 발명했다. 이들은 제품을 '이-스킨(e-skin)'이라 부른다.

Tech Briefs: 유연한 센서 프린팅에 정전기력을 사용하게 된 계기는?

잉 중 교수: 우리는 유연 장치를 제조하는 협력자들이 있었다. 스크린 프린팅으로 제조했는데, 기능성 분말을 바인더와 혼합하고 가열하고 건조 기다려야 해 시간이 오래 걸렸다. 그래서 가열과 건조 없이 더 빠르게 프린팅하는 방법을 찾고 있었다.

나는 또 다른 흥미로운 프로젝트를 진행 중이었다: 코로나 방전으로 폴리머 필름 표면을 처리하는 것. 코로나가 작은 물체를 들어 올릴 수 있는 독특한 강한 전기장을 생성할 수 있음을 깨달았다. 그게 건조 분말을 필름 아래에 놓고 분말을 기판에 직접 끌어당길 수 있을지 궁금하게 만들었다. 시도해 보니 작동했다.

우리는 문제를 발견했고, 이미 연구 중이던 기술이 해결책이 될 수 있음을 깨달았다.

Tech Briefs: 기술 발전이란 종종 그런 식으로 일어난다고 생각한다. 다음 질문: 입자들이 기판에 끌려온 후 어떻게 고정되나?

중: 논문에서 설명했듯 8마이크로미터 두께 의료용 테이프를 사용했는데, 접착 코팅이 입자들을 고정한다. 너무 얇아 피부에 붙여도 느껴지지 않는다.

Tech Briefs: 제조 시 다양한 종류의 센서를 어떻게 통합하나?

중: 이 프린팅 기술은 '범용'이다. 다양한 기능성 물질을 프린팅할 수 있다. 예를 들어 그래핀이나 탄소나노튜브(CNT)를 쓰면 변형에 따라 저항이 변해 변형량을 반영한다. 작동 메커니즘은 변형이 입자 간 거리를 변화시켜 저항 변화를 일으키고 그게 센서의 변형 크기를 반영한다.

논문에서 열변색 분말 기반 온도 센서도 보고했다. 말했듯 범용 프린팅 기술이라 다양한 기능성 물질을 프린팅할 수 있다. 지금은 온도 변화에 따라 색이 변하는 온도 감지 타투 프린팅을 시연 중이다. 습도와 암모니아, 일산화탄소 등 다양한 가스에 민감한 물질 프린팅도 시도 중이다.

Tech Briefs: 상용화 구현을 생각해 봤나? 완전히 다른 종류의 3D 프린터를 만들어야 할 것 같은데.

중: 그렇다. 현재 Jabil Inc.와 협력해 롤투롤 시스템을 구축 중이다. 고속으로 장치 제조가 가능하다. 바인더를 안 쓰니 가열하고 건조 기다릴 필요가 없다. 롤투롤 시스템으로 정전기력을 발생시켜 프린팅하면 유연 장치와 3D 구조물도 빠른 속도와 저비용으로 제조할 수 있다.

Tech Briefs: 코로나 생성을 위한 고전압 발생과 처리가 어렵지 않나?

중: 코로나 생성을 위해 20~30킬로볼트가 필요하지만 전류는 매우 낮다, 0.1mA 미만. 우리 랩 장비는 2와트 미만 전력을 쓴다. 매우 에너지 효율적이다.

Tech Briefs: 고전압이 해를 끼치지 않게 하는 게 문제 아닌가?

중: 물론 시스템을 관리하고 주변 도전 영역을 모두 커버해야 한다. 우리 관찰로는 전극 홀더를 절연층으로 덮으면 아주 잘 작동한다. 그 문제로 큰 어려움은 없었다.

Tech Briefs: 커버에 어떤 재료를 쓰나?

중: 지금은 랩에서 단순히 절연 테이프를 쓴다. 미래에는 더 잘 제어된 표면 코팅이나 절연 홀더를 만들 계획인데 쉽게 할 수 있다. 폴리머로 코팅 구현 가능하고 3D 프린터로 프로토타입 제작 가능. 내 랩에 폴리머 관련 프로젝트가 여러 개라 쉬울 것이다.

Tech Briefs: '이-스킨' 변형 센서 외 다른 응용 분야도 생각 중인가?

중: 그렇다. 예를 들어 스마트 변형 감지 카펫 제작에 대해 한 회사와 논의 중이다. 우리 기술이 저비용 초고속 제조로 대면적 제품 프린팅이 가능해 실용적이다. 아이디어는 카펫이 몇 명이 서 있는지 식별하게 하는 것이다. 그럼 방 안 인원 수에 따라 HVAC 에너지 소비를 조절할 수 있다.

물리 재활 응용 분야로 동료와 협업 중이다. 그 동료는 다리 행동 제어에 어려움을 겪는 사람들과 일한다. 우리 센서가 초박형이라 매우 편안하고 크게 만들어 착용할 수 있다. 그들이 다리 행동을 더 잘 제어하는 방법을 찾는 데 도움을 줄 수 있다.

미래 가능 응용은 많다. 예를 들어 로봇 손에 부착할 수 있다. 무언가 집을 때 얼마나 압력이 가해지는지, 얼마나 넓은 면적이 접촉하는지 감지할 수 있다.

Tech Briefs: 상용화 준비 시기를 대략 예상해 볼 수 있나?

중: 지금 Jabil과 랩에 소형 롤투롤 시스템 구축 중이다. 잘 작동하면 Jabil에 설치해 대량 또는 대형 센서 제조를 도울 것이다. 3~5년 걸릴 수 있지만, 특히 요즘은 예측하기 어렵다.

이 인터뷰 편집본은 2022년 1월호 Tech Briefs에 실렸습니다.