[헬로티 = 김동원 기자] 신체에서 가장 큰 장기로 불리는 피부. 이 피부가 손상되면 어떻게 될까? 주변 환경의 변화를 인식하지 못해 위협에 노출되고, 나아가 정신적 고통을 유발할 수 있다. 외부 환경과 상호 작용하는 복잡한 감각 기관인 이 피부를 모방하기 위해 로봇 공학 및 전자 피부 분야에서는 ‘압력감응 센서’ 개발이 활발히 진행되고 있다.
명재민 연세대학교 신소재공학과 교수팀은 최근 전기화학발광(electrochemiluminescence) 물질을 기반으로 간단한 구조로 저전압에서 구동되는 착용 가능한 압력감응 발광센서를 개발했다고 밝혔다. 이번 연구성과는 인체나 로봇의 관절에 부착할 수 있는 센서 및 대화형 디스플레이 분야의 새로운 활용 가능성을 제시할 것으로 기대된다.
▲ 명재민 연세대학교 교수팀이 착용 가능한 압력감응 발광센서를 개발했다. (사진 : 연세대학교)
지금까지 개발된 일반적인 압력감응 센서는 외부의 물리적 자극을 전기 신호로 변환하고 이를 추가적인 장치를 통해 시각화한다. 따라서 복잡한 장치가 필요하고, 즉각적인 자극을 감지하기 어렵다고 판단됐다.
이에 순간적인 발광을 통해 외부자극을 즉시 시각화할 수 있는 다양한 압력감응 발광센서 및 대화형(interactive) 디스플레이가 활발히 연구돼 왔지만, 발광특성 확보를 위한 복잡한 구조와 고가의 재료사용 등으로 인해 센서에 활용하는데 어려움이 있었다. 또, 지금까지 개발된 압력감응 발광센서는 높은 구동 전압이 필요해 인체에 직접 부착하기 위험하다고 지적돼 왔다.
▲ 전기화학발광 기반 압력감응 발광센서의 제작 공정 모식도. ((가) 발광영역 제어를 위해 스페이서가 처리된 ITO 코팅된 PET 기판 제작, (나) 전기화학발광물질의 도포 (다) 얇은 필름으로 제작된 탄소나노튜브 막과 PDMS 기판, (라) 탄소나노튜브가 내장된 PDMS 기판 제작, (마) 통합된 압력감응 발광센서) (자료 : 연세대학교)
명재민 교수 연구팀은 기존의 압력감응 발광센서의 문제점을 해결하고자 전기화학발광 물질을 겔(gel)형으로 제작, 발광층으로 사용했다.
산화환원 반응을 기반으로 하는 전기화학발광 물질을 활용하면 저전압에서 안정적인 발광이 가능하고, 특히 기존 유기발광 소자(OLED)와 다르게 전극만으로 발광할 수 있는 간단한 구조로 만들 수 있다.
명 교수는 “개발된 압력감응 발광센서는 외부 자극의 모양, 크기 및 위치를 즉각적으로 표시할 수 있고, 인체에 붙여 동작 감지 센서로 작동시킬 수 있었다”며 “매우 간단한 구조로 저전압에서 구동되는 착용가능한 압력감응 발광센서를 개발한 이번 연구성과는 인체나 로봇의 관절에 부착할 수 있는 센서 및 대화형 디스플레이 분야의 새로운 활용 가능성을 제시할 것으로 기대된다”고 밝혔다.
▲ 착용가능한 압력감응 발광센서의 특성.((가) 압력감응 발광센서의 구동 모식도, (나) 외부 압력에 따른 압력감응 발광센서의 발광 사진, (다) 외부 압력의 모양에 따른 압력감응 발광센서의 발광 사진, (라) 인체에 부착하여 착용가능한 소자로 구현된 압력감응 발광센서의 발광 사진) (자료 : 연세대학교)
[다음은 명재민 연세대 교수와의 일문일답]
Q. 연구를 시작한 계기나 배경은?
최근 반도체 기술은 궁극적으로 인체나 옷에 부착하여 사용 가능한 전자소자를 개발하기 위해 빠르게 나아가고 있다. 이러한 착용 가능한 전자소자를 개발하기 위해서는 변형 가능한지가 필수적이며 인체에 부착하여도 무리 없도록 간단하고 가벼운 구조가 필수적이다.
또한, 인체에 위협이 될 수 있으므로 저전압 구동이 요구된다. 그러나 기존의 디스플레이 재료들은 발광을 위해 복잡한 구조를 필요로 하거나 고전압 구동을 기반으로 하므로 착용 가능한 소자에 적용하기에 적합하지 않았다.
Q. 이번 성과가 갖는 의미는 무엇이라 보는가.
이번 연구 성과는 전기화학발광 물질을 이용한 첫 착용 가능한 압력감응 발광센서의 보고이다. 기존의 압력감응 센서를 개선하기 위해 발광 재료를 사용한 발광 센서가 최근 많이 보고되고 있지만, OLED 혹은 ZnS 기반의 발광 재료들은 복잡한 적층 구조를 갖거나 높은 구동 전압이 요구되어 인체에 부착하여 사용하기엔 한계가 있었다.
그러나 이번 연구는 산화환원반응을 기반으로 발광하는 전기화학발광 물질을 적용하여 센서의 복잡한 구조를 최대한 단순화하였고 저전압에서도 발광이 가능한 센서를 구현하였으므로 기존의 연구가 개선해야 할 한계를 극복했다.
Q. 실용화 가능성은?
전기화학발광 기반 압력감응 발광센서는 간단한 구조와 저전압 구동으로 인체에 부착하여 사용하기에 부담이 없고 변형이 가능하다. 또한, 외부 압력의 크기에 따라 발광하는 민감도 조절이 가능하므로 의료분야, 센서 그리고 산업 관련 분야 모두에서 굉장히 폭넓게 적용 가능하리라 생각한다.
현재 연구결과가 실용화되기 위해서는 가장 먼저 전기화학발광 물질의 특성이 개선되어야 한다. 지금까지의 전기화학발광 물질은 OLED 대비 발광 시간이 짧고 색순도가 좋지 않은 것이 현실이다. 또한 산화환원 원리로 구동되는 전기화학발광 물질에 손상되지 않도록 유연하면서 내화학성이 우수한 전극의 개발이 필요하다.
