KAIST, 광 투과 방식 '新 웨어러블 유연 인장 센서' 개발

기존 전기저항식, 정전용량식 및 광학 방식의 유연 인장률 센서가 갖는 한계점 극복… 헬스케어 등 활용 기대

카이스트(KAIST) 기계공학과 박인규 교수 연구팀이 신체 동작 및 자세 모니터링에 활용 가능한 '탄소 나노튜브–탄성 중합체 복합소재 광 투과 방식'의 '웨어러블 유연 인장 센서'를 개발했다고 2일 밝혔다.

이 기술은 인체의 관절 굽힘 동작, 자세, 맥박 및 표정 등 다양한 생체 동작을 연속적으로 측정해 운동 시 관절부 움직임 자세 교정 및 맥박 측정을 통한 헬스케어 모니터링 시스템 등에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

연구진에 따르면 최근 헬스케어에 대한 관심이 커지면서 웨어러블 유연 센서 개발이 활발히 진행되고 있지만 외부 전기장의 영향에 취약하고 민감도가 낮아 단점으로 지적돼 왔다.

높은 감도와 안정적 성능의 유연 인장 센서 및 신체 굽힘 측정./자료제공=KAIST

연구진은 이 같은 문제 해결을 위해 탄소 나노튜브가 함침된 탄성중합체의 인장에 따른 광 투과도 변화 현상을 활용, 최고 400%에 달하는 넓은 범위의 인장률을 안정적으로 측정할 수 있는 유연 인장 센서를 개발했다.

이 센서는 외부 인장에 따라 탄성중합체에 함침된 탄소 나노튜브 필름에 틈이 형성돼 광 투과도를 크게 변화시켜 기존의 광학 방식 인장 센서에 비해 10배 이상의 높은 감도를 보여줬다.

또 1만3000회 이상의 인장 변형에도 안정적으로 신호가 회복됐고 다양한 환경 요인(온도, 습도)에도 우수한 감지 성능을 자랑했다.

연구진은 이러한 성능을 바탕으로 손가락 굽힘 동작을 측정해 이를 로봇 조종에 활용했다. 3축 센서로 패키징 해 인체 자세 모니터링에도 활용했다.

또 경동맥 근처의 맥박 모니터링과 발음할 때의 입 주변 근육 움직임 등 미세한 동작도 관찰하는 데 성공했다.

이는 기존의 전기저항식, 정전용량식 및 광학 방식의 유연 인장률 센서가 갖는 한계점을 극복할 수 있는 새로운 플랫폼을 개발한 것이라고 연구진은 설명했다.

박인규 교수는 "이번 연구결과는 헬스케어, 엔터테인먼트, 로보틱스 등 다양한 분야에 널리 활용할 수 있는 우수한 성능의 웨어러블 센서를 실현한 것"이라고 평가했다.

한편, 이번 연구 논문은 나노기술 분야 국제 학술지 'ACS Applied Materials & Interfaces'의 지난달 4일 자 표지 논문에 게재됐다.