맥신이 코팅된 압력 센서 기반의 무선통신 시스템(왼쪽)과, 압력과 인장 자극에 따라서 달라지는 무선통신 신호. © 뉴스1
공동 연구팀은 무선통신에 활용되고 있는 전기 공진기(electrical resonator)가 여러 정보를 전달할 수 있다는 사실에 주목했다.
특히, 수동형 소자들로 만들어지는 전기 공진기는 원거리 통신이 가능할 뿐만 아니라 생분해성 물질 등 다양한 기능성 재료로 구현이 가능해 웨어러블·임플란터블 소자 분야에서 연구가 활발히 진행되고 있다.
즉, Δ공진기의 정전용량에 의해 결정되는 `공진주파수' Δ공진기에 저장된 전자기파 에너지에 의해 결정되는 `품질 인자(quality factor)'에 의해 결정된다. 따라서 최소 두 가지 정보를 포함할 수 있다.
맥신 기반의 무선 센서를 무릎 수술 이후에 재발 방지를 위한 모니터링 시스템에 적용한 모습(왼쪽), 딥러닝 기법을 활용해 압력과 인장을 구분해 측정(오른쪽)© 뉴스1
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공진주파수와 품질 인자의 변화를 분화하기 위해서는 공진기의 저장된 전자기파를 차폐할 수 있는 신물질이 필요한데 공동 연구팀은 2차원 신물질인 `맥신(MXene)'을 사용했다.
연구팀은 우선 압력에 따라서 기공이 닫히는 다공성 탄성체에 Ti3C2Tx 조성의 맥신을 코팅해 외부 자극에 따라 공진기의 저장된 에너지를 변형시킬 수 있는 센서로 활용했다.
이때 탄성체와 맥신 사이에 나노 접착제 역할을 하는 폴리도파민을 도입해 2000번 이상의 반복적인 수축과 이완에도 신뢰성 있게 작동할 수 있도록 소자를 만들었다.
나아가 연구팀은 딥러닝 기법을 적용해 미리 학습됐던 압력과 인장 자극을 구분해 정확하게 맞추고, 학습되지 않은 새로운 압력과 인장 자극도 약 9%의 오차 이내로 맞출 수 있는 시스템을 구현하는 데 성공했다.
연구팀이 개발한 소자는 무선으로 기계적 자극을 구분해 측정할 수 있고, 생체친화적이며 가볍기 때문에 웨어러블 소자로 활용이 가능한 게 장점이다.
공동 연구팀은 이 밖에 새로 개발한 소자를 기반으로 정형외과 수술 이후 재활 치료를 하는 과정에서 부상을 방지할 수 있는 모니터링 시스템을 개발, 구축했다.
(왼쪽부터) KAIST 신소재공학과 이건희 박사과정, 이강산 박사과정, 김상욱 교수, 스티브박 교수© 뉴스1
한편, KAIST 신소재공학과 이건희, 이강산 박사과정 학생이 공동 제1 저자로 참여한 연구논문은 국제 학술지 `ACS Nano' 8월19일자 온라인판에 게재됐다.
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