-
ETRI가 개발한
‘그래핀 기반 센서’란? -
그동안 센서는 실리콘과 같은 딱딱한 기판에 만들어졌다. 하지만 최근에는 유연하고 늘어나는 타입의 센서를 많이 개발하는 추세다. 그런 의미에서 ETRI는 기존과는 다른 센서를 개발했다. 의복이나 피부에도 자유롭게 적용할 수 있는 미래형 센서를 개발 중이다.
ETRI가 개발한 그래핀 기반 센서는 직물형 압력 센서와 고무형 압력 센서 두 가지로 나뉩니다. 직물형은 그래핀과 탄소나노튜브를 사용해 복합소재를 만든 다음 일반 천에 염색하듯 코팅을 합니다. 코팅된 소재로 직물형 센서를 만들어 적당한 크기로 자릅니다. 그리고 전극을 연결해 나노 센서가 코팅된 직물에 압력을 주면 저항이 바뀌는 것을 확인할 수 있습니다.
직물형 센서는 방수 기능을 가지고 있기 때문에 세탁이 가능합니다. ETRI 연구진이 실험한 결과, 10번 정도 세탁했을 때도 센서가 정상적으로 작동하는 것을 확인했습니다. 이처럼 방수 기능이 있기 때문에 물이 묻어도 스며들지 않고 복원력 또한 상당히 뛰어납니다. 또 보통의 센서는 내구성이 아주 중요한데 본 센서는 약 10만 번까지 압력을 가해도 정상적으로 작동해 상용화가 가능한 기술 수준이라고 볼 수 있습니다.
-
탄소나노튜브
(Carbon nanotube)
탄소로 이루어진 흑연의 한 층을 형성하고
육각형 벌집 모양의 평면구조인 그래핀을
나노 크기의 관 형태로 말아서 만들어진 튜브구조
-
ETRI연구진이 개발한 압력센서를 여러 분야에 활용한 CG
-
아울러 ETRI는 고무형 압력 센서도 개발했습니다. 고무형 압력 센서도 직물형 압력 센서와 마찬가지로 그래핀과 탄소나노튜브를 일반 기공이 있는 말랑말랑한 복합구조로 만듭니다. 그래핀과 탄소나노튜브를 코팅하였기 때문에 복원력이 뛰어나고 감도가 좋습니다. 센싱 감도는 직물형 압력 센서보다 고무형 압력 센서가 훨씬 우수합니다.
또 고무형이기 때문에 늘어날 수도 있고 구부릴 수도 있습니다. 사람의 신체에 적용한다면 팔꿈치나 무릎이 운동할 때 늘어나는 정도를 파악할 수 있습니다. 연구진이 실험한 것은 관자놀이에 붙였을 때 눈이 깜빡이는 미세한 정도를 확인하는 것이었습니다. 운전 시 관자놀이에 센서를 부착하여 졸음운전을 방지하도록 쓸 수 있습니다. 이 외에도 장갑이나 관절이나 피부 타입으로도 제작할 수 있습니다. 특히 우리가 사용한 소재는 직물형 압력 센서나 고무형 압력 센서 모두 인체에 무해하여 피부에 접촉할 수 있습니다.
-
01
고무형 압력 센서의 내구성을 테스트 중인 모습
-
상용화를 위해
보완해야 할 부분은? -
현재 연구진은 실제 제품을 개발한 것이 아니고 센서만 개발한 것입니다. 외국에서는 비슷한 고무형 센서로 실제 제품을 만들어 사람의 관절에 붙여 운동할 때 활용하기도 했습니다. 가령 달리기를 하는 사람은 무릎에 센서를 붙여 운동할 때 개선할 부분을 알려주기도 했고 재활하시는 분들은 재활 정도의 수치파악도 가능합니다. 어깨를 재활한다면 어깨에 센서를 붙여 실질적으로 각도를 재고 각도가 얼마나 펴지는지 확인할 수 있습니다.
해당 분야의 제품 생산을 목표로 하는 기업이 ETRI의 기술을 적용해 제품화하는 것은 어렵지 않습니다. 몇 군데 기업과 접촉을 했었지만, 이런 센서 기술은 대기업보다는 중소기업에서 관심이 많은 분야입니다. 대부분 기업이 영세하다 보니 기술이전을 받기가 쉽지 않습니다. 정부에서 지원이 된다면 상용화가 좀 더 빨라질 수 있지 않을까 생각합니다.
-
상용화를 통한
기대효과는? -
초기에는 의수로 사용하기 위해 개발했습니다. 직물형 압력 센서는 장갑에 센서를 붙여 전극 선을 연결해 물건을 잡거나 들을 때 센서가 감지할 수 있도록 합니다. 사람은 물건을 들 때 무거운 건 꽉 잡고 가벼운 건 살짝 잡습니다. 그러나 기존 의수는 물건을 잡아도 얼마나 무거운 것이 잡혔는지 가늠할 수 없고 눈으로 확인할 수밖에 없었습니다. 이런 부분을 센서가 감지하도록 합니다. 이렇게 의수나 의족에 적용이 가능할 것으로 기대합니다.
이런 것들이 모두 가능해지기 위해서는 신경과 연결을 해야 합니다. 신경에 자극을 줘서 느낄 수 있도록 하는 기술이 있습니다. 이런 기술과 협업을 한다면 실제 장갑에 있는 센서들이 의수나 의족을 사용하시는 분들에게 도움이 될 수 있습니다. 또 헬스케어나 재활 분야에서도 활용할 수 있습니다.
아울러 연구진은 장갑형으로 개발했기 때문에 직물형 센서인 천이 붙어 있지만, 똑같은 방법으로 고무를 붙이면 고무형 압력 센서가 될 수 있습니다. 어떤 센서를 쓰느냐에 따라 활용도가 달라집니다. 고무형 압력 센서는 앞서 말씀드린 것처럼 피부에 부착하여 사용할 수 있습니다.
-
02
센서 성능을 테스트 중인 최춘기 책임연구원
-
현재 신소자연구실의
연구 방향은? -
현재 그래핀과 2차원 소재를 이용한 다양한 센서나 전자파 차폐, 방열, 히터 등을 개발하고 있습니다. 히터라는 것은 우리가 바닥이나 침대에 깔면 따뜻해지는 매트와 같습니다. 그런 곳에도 히터가 다 들어가 있는데요. 여기에는 금속 와이어가 들어가 있고 우리가 개발한 것은 종이처럼 얇은 필름이 들어가 있습니다. 그래서 훨씬 가볍고 큰 면적에서 사용이 가능합니다.
한편 전자기기가 작동되면 여러 가지 전파들이 나오는데요. 전자파 차폐 소재를 사용하면 이런 것들을 차단해줌으로써 스마트폰이나 자동차 등의 오작동을 방지할 수 있습니다. 핸드폰뿐만 아니라 모든 전자기기에 적용할 수 있고 현재 고무형 타입의 필름 형태로 만들어서 개발하고 있습니다.
아울러, 압력 센서, 온도 센서, 습도 센서도 연구 중에 있습니다. 온도 센서는 사람이나 기기에서 온도 변화가 발생하면 그게 몇 도인지 측정하는 것입니다. 이 또한 고무형 센서처럼 만들었습니다. 압력 센서 기능을 가지면서 온도 센서 기능을 가지는 것입니다. 두 개의 복합센서라고 해서 온도압력 복합센서라고 합니다. 습도 센서는 비접촉식으로 개발했습니다. 버튼을 누르지 않고 가까이 대기만 해도 사람의 습도로 버튼이 눌리는 것입니다. 요즘과 같은 코로나19 시대를 대비하기 위한 기술이기도 합니다.
이 외에도 습도 센서는 사람의 팔목이나 목, 이마에서 흐르는 땀을 측정하여 수분이 부족한지, 심하면 경련이 일어나거나 쓰러지지는 않는지 등 인체 각종 증상에도 사용이 가능합니다. 또 습도 센서를 부착하여 피부가 건조한지 촉촉한지 미용이나 보습 분야에서도 활용할 수 있습니다.
-
전자파 차폐
(Electromagnetic wave shield)
전자파를 차단하는 행위 또는
전자파를 차단하는 장치, 시설, 물질 물질2차원 소재
적층되지 않은 한 겹 원자로 된 소재
-
Editor epilogue
현재 ETRI는 압력 센서, 습도 센서, 전자파 차폐 소재, 히터 등을 일부 개발했고 또 연구진행 중에 있다. 최춘기 박사의 최종 목표를 묻자 그는 “앞으로 기술을 더 발전시켜 실제 상용화를 할 수 있도록 하는 것이 목표입니다.”라고 전했다. 현재 ETRI는 기술 성능을 올리고 고도화하는 쪽으로 나아가고 있다. 그들이 만들어낸 기술이 누군가에게는 희망의 기술이 또 누군가에게는 새로운 기회로 빛을 발하길 기대한다.
