Focus
Vol.218
정확도 98 % 피부 부착 센서의 등장
길이 변화를 감지하는 스트레인 센서는 건축·의료 분야 등에 사용된다.
그러나 기존의 스트레인 센서는 일정 방향의 변화만 감지할 수 있고,
많은 센서가 연결되어 있어 신호 해석이 지체된다는 단점이 있었다.
이에 ETRI는 기존의 기술 한계를 극복한 센서를 개발했다.
외부의 힘을 360도로 감지하고 길이 변화도 빠르게 분석 가능한 ETRI의 스트레인 센서를 알아보자.
어디로 늘어났는지 얼마나 늘어났는지를 측정하는 센서
ETRI의 스트레인 센서는 물체가 늘어나는 방향과 그 정도를 감지한다
스트레인 센서는 물체가 외부에서 힘을 받았을 때 생기는 길이 변화를 감지하는 기술이다. 이는 바람·지진·하중과 같은 요인에 영향을 받는 교량·건물 등의 안정성 모니터링에 사용된다. 또한 신체의 근육, 뼈 조직 등의 변형을 측정하는 데도 사용된다. 그리고 이 센서를 통해 얻은 정보는 인간의 움직임을 이해하고, 더 나아가 근골격계 질환 등을 치료하는 데 활용할 수 있다.
그렇다면 기존 스트레인 센서와 ETRI가 개발한 센서 간에는 어떤 차이가 있을까. 기존 피부 부착 스트레인 센서는 고무와 같은 신축성 소재에 그래핀, 탄소나노튜브(CNT) 등 전도성 나노소재를 더해 신축성 전도체를 만든다. 이를 이용해 센서가 정보를 수집하는 단일 경로인 채널을 구성하고, 해당 채널이 늘어나고 줄면서 변화하는 전기 저항값으로 동작과 물체 변형의 정도를 감지한다. 하지만 이러한 구조는 특정 방향으로 가해지는 변형만을 감지할 수 있어, 같은 부위라도 상황에 따라 여러 방향으로 늘어나는 피부의 특성을 정확히 측정할 수 없었다. 또한 기존에는 다양한 감각을 인지하기 위해 다량의 개별 센서를 이용했는데, 이 때문에 신호 해석에 지연 현상이 발생했다.
정확하고 빠른 ETRI의 스트레인 센서
ETRI의 스트레인 센서는 센서를 잡아당겼을 때 나타나는 저항값 특성으로 신축량과 변형 방향을 측정한다
한국전자통신연구원(ETRI)은 중앙대 연구팀과 함께, 모든 방향으로 늘어나고 줄어드는 신축량과 변형 방향을 98 %의 정확도로 감지하는 스트레인 센서를 개발했다. 이는 인공신경망 구조를 이용한 AI 알고리즘 기술과 새롭게 개발된 방향 센서 구조가 접목된 기술이다.
연구진은 일자 형태의 신축성 전도체 채널이 360도로 늘어나도록 두 개의 단단한 영역 사이에 걸쳐 새로운 구조를 만들었다. 이 덕분에 전도체가 전 방향에서 주기적인 저항 증감 특성을 나타냈다.
또한 다른 종류의 물리량 변화도 감지할 수 있는 단일교차반응 센서 세 개를 서로 다른 방향으로 인접하게 배치했다. 이는 이들 신호의 조합에 인지학습을 통한 AI 알고리즘을 적용, 다양한 감각 특성을 동시에 추출하기 위함이다. 이를 통해 30 % 신축 범위에서 특정 부위의 신축 방향과 변형량을 동시에 뽑아냈고, 해당 데이터 정확도는 98 %에 달했다.
건강한 미래를 만들다
해당 기술은 재활치료나 헬스케어 등 여러 분야에 사용 가능할 것으로 보인다
센서에 사용된 소재들은 인체에 무해한 소재로 피부 부착과 인체 각 부위의 동작 감지에 사용할 수 있다. 또한 인쇄 공정만으로 간편하게 제작할 수 있고, 제작 단가도 낮고 제작 시간도 짧아 일회용 센서로도 활용 가능하다. 이런 간단한 구조로도 피부의 복잡한 변형 양상을 정확히 측정할 수 있어 재활치료·헬스케어·로봇·의족·의수·웨어러블 기기 등 전자 피부가 필요한 분야에 폭넓게 활용 가능할 것으로 전망된다.
연구진은 3년 내 상용화를 목표로 하고 있다. 특히 본 기술을 이용해 근육 및 관절의 움직임을 측정하고, 이를 바탕으로 근골격 질환을 진단하고 재활치료에 활용할 계획이라고 전했다.
