피부 붙여 체온·기침·맥박까지 읽는다...온도·압력 감지 맥신 센서 개발

- 민감도 최대 4배 향상된 웨어러블 맥신 센서 소재 개발 

- 스마트 로봇전자피부, 인간-기계 인터페이스 소재 다양성 확보

연구진 사진. 왼쪽부터 김수현 교수, 권순용 교수, 데바난다 모하파트라 연구교수(제1저자). (자료제공: UNIST)

티타늄 탄질화물 맥신 기반 온도·압력 센서 제작 공정 모식도. (자료제공: UNIST)

피부에 붙이면 체온뿐만 아니라 기침, 침 삼킴 등 미세한 신체 변화를 모두 읽어낼 수 있는 센서 소재가 새롭게 개발됐다.

UNIST(총장 박종래)는 반도체소재부품대학원 김수현·권순용 교수팀은 온도와 압력 변화를 모두감지할 수 있는 티타늄 탄질화물 기반의 초고민감도 맥신(MXene) 소재를 개발했다고 5월 11일 밝혔다.

맥신은 금속과 탄소 또는 질소로 이루어진 원자층이 켜켜이 쌓여 있는 형태의 나노 물질이다. 두께가 매우 얇고 유연하면서도 전기가 잘 통해, 입는 컴퓨터나 웨어러블 헬스케어 기기에 들어가는 센서용 소재로 크게 주목받는 소재다. 

연구팀이 이번에 개발한 맥신(Ti₃CNTz)은 질소가 없는 기존(Ti3C2Tx) 소재보다 온도 변화와 압력 자극에 대한 민감도가 각각 3배와 4배 이상 개선됐다. 아주 미세한 자극에도 전기저항이 크게 변한다는 뜻으로, 기계가 사람의 상태 등을 훨씬 더 선명한 전기신호로 인식할 수 있음을 의미한다.

연구팀은 최적의 질소 농도를 찾아내 이 같은 소재를 개발했다. 질소가 특정 영역에서 전자 밀도를 높이고, 격자 진동 현상을 강화해 외부 자극에 대한 반응성을 극대화한 덕분이다. 맥신의 아코디언 같은 구조는 기계적 강도도 강화하는 것으로 나타났다. 이러한 원리는 밀도함수이론(DFT) 계산과 방사광 기반 엑스선 흡수 미세 구조(XAFS) 실험 분석을 통해 입증됐다.

실험에서 이 소재를 이용해 만든 센서는 미세 압력 변화를 감지해 말하기, 침 삼키기, 기침하기 등 성대의 미세한 떨림을 완벽하게 구분해 냈다. 또한 눈가에서는 눈 깜박임을, 손목에서는 맥박 파형을 실시간으로 포착했으며, 신발 뒤꿈치에 부착해 보행 패턴을 분석할 수 있었다. 

1~2mm 떨어진 상태에서 비접촉 온도 감지도 가능하다. 스마트폰 카메라 플래시에서 발생하는 적외선 열을 감지하거나, 손가락이 닿지 않은 상태에서도 접근만으로 온도 변화를 인식할 수 있었다. 

김수현 교수는 “온도와 압력을 동시에 극도로 섬세하게 감지하면서도 신호 간 간섭을 효과적으로 제어할 수 있다는 점에서 차세대 인간-기계 인터페이스 및 지능형 로봇 전자 피부 기술의 전환점”이라며 “헬스케어뿐만 아니라 에너지 저장, 촉매, 전자기파 차폐 등 다양한 첨단 나노소재 분야로의 응용이 가능하다”고 강조했다. 

김 교수는 이어 “그간 탄화물에 국한됐던 맥신 연구를 질소를 포함하는 탄질화물로 확장해 소재의 다양성을 확보했다는 점에서 큰 의미가 있다”라고 덧붙였다. 

이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단(NRF)과 과학기술정보통신부의 이노코어(InnoCORE)사업의 지원으로 이뤄졌다. 연구 성과는 재료 과학 분야의 세계적 권위지인 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)’에 4월 12일 온라인 공개됐다.

[Ceramic Korea (세라믹뉴스)=이광호 ]