본교 전자공학과 박재영 교수 연구팀은 약국에서 손쉽게 구입이 가능한 상용 ^1,2드레싱 폼(스폰지)에 매우 높은 유전율을 갖는 티탄산칼슘구리(Calcium copper titanate, CaCu₃Ti₄O₁₂)를 코팅하여 헬스케어 웨어러블, 소프트 로보틱스, 의공학, 휴먼-머신 인터페이스 등의 다양한 응용 분야에 적용할 수 있는 고성능 압력/변형 검출센서를 개발하는 데 성공했다(*용어 설명 후면 기재).

최근, 다양한 차세대 헬스케어 웨어러블 및 지능형 로봇, 압력으로 인해 나타나는 다양한 질병 관리 및 예방 분야 등의 폭 넓은 응용 및 활용을 위해서 높은 민감도 및 안정성, 낮은 검출한계 특성을 갖는 고성능 물리센서에 관한 연구가 활발하게 진행되고 있으며, 이러한 성능을 높이는 것은 매우 도전적인 연구목표로 남아있다. 또한, 인공피부, 의수 등을 모사하기 위해서는 다중 자극에 대해서 동시에 반응할 수 있는 센서를 만드는 것이 매우 중요하다.

이를 위하여, 기존에는 기둥, 피라미드, 돔 형태의 입체 패턴을 마이크로 스케일로 배열하여, 센서의 성능을 향상시키는 것이지만, 센서의 종류 및 응용에 따른 모양의 최적화가 어렵고 양산을 위한 구조 및 공정 재현성 확보가 어렵다는 단점을 가진다. 이에 대한 대안으로 스폰지와 같은 뼈대 물질에 나노 입자를 코팅하는 방법이 있는데, 두 물질 사이의 낮은 접착력으로 인하여 장시간 반복 사용이 어렵다는 단점이 있었다.

본 연구에서는, 유연성 및 신축성을 가지는 스폰지에 티탄산칼슘구리를 코팅하여, 압력 및 변형 두 가지를 측정할 수 있는 센서를 개발하였다. 또한, 유기화합물인 스폰지과 무기화합물인 티탄산칼슘구리를 결합하기 위하여, ^4_NH₂ 그룹과 ^5_OCH₂CH₃ 그룹을 동시에 가지는 3-(트라이에톡시실릴)프로필아민아민(3-aminopropyl triethoxysilane)을 사용하여 안정적인 결합을 형성시키고, 7,600회 이상 반복 측정에도 안정적인 성능을 유지할 수 있도록 설계 및 제작하였다. 또한, 티탄산칼슘구리는 온도변화에도 유전율이 거의 변하지 않아 센서의 특성이 매우 안정적인 장점을 가진다. 제작된 센서는 변형률에 대해 27.83 kPa의 민감도를 나타내며, 압력에 대해 0.73 kPa^-1의 민감도를 나타낸다. 또한 본 연구에서 개발된 센서는 맥박, 호흡, 발음, 인체의 굽힘, 비틀림 등의 미세한 압력과 움직임(변형)을 동시에 측정할 수 있는 장점을 갖고 있다.

한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부의 바이오·의료기술개발사업 (2017M3A9F1031270) 및 산업통산자원부의 나노융합산업핵심기술개발사업 (20000773)의 지원으로 수행되었고, 연구 결과는 세계 최고의 소재 및 디바이스 연구 전문 저널인 WILEY 출판의 Advanced Functional Materials (IF: 15.621) 2020년 6월 10일자에 게재되었다.

<드레싱 폼(PU sponge)과 티탄산칼슘구리(CCTO)가 화학적으로 결합된 형태의 압력/변형 측정 센서의 개념도>

 * Web link: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.201910020

1. 드레싱: 상처면을 보호하기 위하여 특정 소재를 활용하여 상처를 덮어주는 방법

2. 드레싱 폼: 바이러스 등의 번식을 막는 등 감염 방지를 위하여 상처를 습윤 환경으로 유지시키기 위하여 높은 흡수도 및 투습도를 갖는 폼 형태의 드레싱 소재

3. 히스테리시스: 물체를 천천히 굽히고 펴는 동작을 하기 위해 필요한 힘. 히스테리시스가 작을수록, 센서가 반복 동작을 하는 동안 오차가 적음

4. NH₂: 유기화합물에 풍부하게 존재하며, 드레싱 폼과 화학결합을 형성하는 역할을 함

5. OCH₂CH₃: 티탄산칼슘구리와 공유결합을 형성하는 역할을 함