텍사스 공대 연구진, 웨어러블 기기의 민감도 문제 해결한 혁신적인 소프트 압력 센서 개발

최근 의료 센싱 기술은 착용형 기기를 통해 맥박, 뇌 기능, 땀의 바이오마커 등을 추적할 수 있는 수준으로 발전했습니다. 하지만 기존 웨어러블 압력 센서에는 치명적인 문제가 있었습니다. 긴소매 셔츠가 센서 위를 스치는 것처럼 아주 미세한 압력만으로도 측정이 크게 어긋나는 현상이었습니다.

텍사스 공대 연구진이 수년간 이 분야를 괴롭혀온 이 문제를 해결했습니다. 현재 주로 쓰이는 두 가지 주요 센서 유형의 특성을 모두 갖춘 최초의 하이브리드 센싱 방식을 혁신해낸 것입니다.

"유연한 압력 센서 분야는 매우 혼잡하며, 지난 20년간 압력과 민감도 사이의 상충 관계(trade-off)를 해결하지 못해 병목 현상에 부딪혔습니다."라고 항공우주공학 및 공학역학과 난슈 루(Nanshu Lu) 교수는 말했습니다. "이번에 개발한 센서는 새로운 하이브리드 모드를 활용해 압력을 견디면서도 민감도 저하가 거의 없는 최초의 사례입니다."

기존 센서의 한계와 하이브리드 접근법

오늘날 소프트 압력 센서는 일반적으로 변형 가능한 감지 층이 두 전극 사이에 샌드위치 구조로 들어간 3층 구조입니다. 이들 센서는 크게 압전 용량형(piezo-capacitive)과 압전 저항형(piezo-resistive) 두 가지로 나뉩니다.

루 교수팀은 전기 전도성이 높고 다공성인 나노복합체를 감지 층으로 사용하고, 추가 절연 층을 센서에 더해 두 유형의 센서 능력을 모두 갖게 했습니다. 이 새로운 하이브리드 센싱 방식 덕분에 압력 하에서도 성능을 유지할 수 있게 되었습니다.

"외부 압력을 가하면 민감도가 떨어지지만, 여전히 무압력 상태의 다른 센서들과 동등한 수준입니다."라고 루 교수는 설명했습니다.

전자 문신 기술에서 인공 피부로

루 교수는 전자 문신 기술(electronic tattoo technology)을 통해 이 분야의 선구자 역할을 해왔습니다. 이 기술은 심장, 뇌, 근육 위에 장기간 부착해도 거의 불편함이 없을 만큼 가볍고 신축성이 뛰어난 장치들을 개발해냈습니다.

이제 그녀는 센서 소재를 거의 모든 물체에 감싸 인간 피부 수준의 민감도를 부여하는 방법을 연구 중입니다. 가장 뚜렷한 응용 분야는 로봇 손과 손가락에 감아 물체를 만져서 인식하게 하는 것이지만, 잠재적 용도는 무궁무진합니다. "신축성 있는 전자 피부는 거의 모든 물체에 감쌀 수 있습니다."라고 루 교수는 말했습니다.