광 투과 방식의 웨어러블 유연 인장 센서 개발
광 투과 방식의 웨어러블 유연 인장 센서 개발
  • 함예솔
  • 승인 2020.04.12 21:40
  • 조회수 886
  • 댓글 0
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요약

 

광 투과 방식의 유어러블 유연 인장 센서가 개발됐습니다. 본 연구에서는 탄소 나노튜브가 함침된 탄성중합체의 인장에 따른 광 투과도 변화 현상을 활용해 넓은 범위의 인장률을 안정적으로 측정할 수 있는 유연 인장 센서를 개발했습니다. 이는 향후 헬스케어, 엔터테인먼트, 로봇틱스 등 다양한 분야에 널리 응용이 가능할 것으로 기대됩니다.

KAIST 기계공학과 박인규 교수 연구팀이 신체 동작 및 자세 모니터링에 활용이 가능한 탄소 나노튜브–탄성 중합체 복합소재 광 투과 방식의 웨어러블 유연 인장 센서를 개발했습니다. 이번 기술을 통해 인체의 다양한 관절 굽힘 동작, 자세, 맥박 및 표정 등 다양한 생체 동작을 연속적으로 측정해, 운동 시 관절부 움직임 자세 교정 및 맥박 측정을 통한 헬스케어 모니터링 시스템 등에 활용할 수 있을 것으로 기대됩니다. 해당 연구는 <ACS Applied Materials & Interfaces>에 게재됐습니다. 

ACS APPLIED MATERIALS&INTERFACES 전면 표지 이미지. 출처: KAIST
ACS APPLIED MATERIALS&INTERFACES 전면 표지 이미지. 출처: KAIST

인장률 안정적으로 측정할 수 있는 센서

 

최근 헬스케어에 대한 관심이 커짐에 따라 웨어러블 유연 센서 개발이 활발히 진행되면서 인체에 적용하는 센서로서의 유연 소재를 기반으로 다양한 전기저항식, 정전용량 방식의 플랫폼을 이용한 인장 센서가 많이 개발되고 있습니다.

 

그러나 기존의 전기저항식 센서는 장시간 반복 신호 안정성, 선형성에 한계를 보이며, 정전용량식 센서의 경우 외부 전기장의 영향에 취약하고 센서 민감도가 낮습니다. 이러한 점을 보완하기 위해 광학 방식의 유연 인장 센서가 개발됐으나 여전히 민감도가 낮다는 한계점이 있습니다.

광 투과도 변화를 활용한 탄소나노튜브 기반 유연 인장 센서 구조. 출처: KAIST
광 투과도 변화를 활용한 탄소나노튜브 기반 유연 인장 센서 구조. 출처: KAIST

문제 해결을 위해 연구팀은 탄소 나노튜브가 함침된 탄성중합체의 인장에 따른 광 투과도 변화 현상을 활용해 수 퍼센트에서 400%에 달하는 넓은 범위의 인장률을 안정적으로 측정할 수 있는 유연 인장 센서를 개발했습니다.

 

미세한 동작도 관찰 OK

높은 감도와 안정적 성능의 유연 인장 센서 및 신체 굽힘 측정. 출처: KAIST
높은 감도와 안정적 성능의 유연 인장 센서 및 신체 굽힘 측정. 출처: KAIST

연구팀이 개발한 센서는 외부 인장에 따라 탄성중합체에 함침된 탄소 나노튜브 필름에 틈이 형성돼 광 투과도를 크게 변화시켜 기존의 광학 방식 인장 센서에 비해 10배 이상의 높은 감도를 가집니다. 또한, 1만 3천 회 이상의 인장 변형에도 안정적인 신호 회복을 보이고, 다양한 환경 요인(온도, 습도)에도 안정적인 감지 성능을 보여 웨어러블 기기로 활용할 수 있는 큰 가능성을 보였습니다. 

자세 모니터링 3축 센서, 경동맥 근처의 맥박 모니터링 측정. 출처: KAIST
자세 모니터링 3축 센서, 경동맥 근처의 맥박 모니터링 측정. 출처: KAIST

연구팀은 이러한 성능을 바탕으로 손가락 굽힘 동작을 측정해 이를 로봇 조종에 활용했으며, 3축 센서로 패키징 해 인체 자세 모니터링에 활용했습니다. 또한, 경동맥 근처의 맥박 모니터링과 발음할 때의 입 주변 근육 움직임 등 미세한 동작도 관찰하는 데 성공했습니다.

구지민 박사과정, 박인규 교수. 출처: KAIST
구지민 박사과정, 박인규 교수. 출처: KAIST

박인규 교수는 "이번 연구에서는 기존의 전기저항식, 정전용량식 및 광학 방식의 유연 인장률 센서가 갖는 한계점을 극복할 수 있는 새로운 플랫폼을 개발했다"며 "헬스케어, 엔터테인먼트, 로보틱스 등 다양한 분야에 널리 활용할 수 있는 우수한 성능의 웨어러블 센서를 실현했다"고 말했습니다.


##참고자료##

 

Gu, Jimin, et al. "Wearable Strain Sensor Using Light Transmittance Change of Carbon Nanotube Embedded Elastomer with Microcrack." ACS Applied Materials & Interfaces (2019).

 


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