가볍고 유연한 섬유소자는 의류형태의 웨어러블 전자기기로 활용성이 높다.
특히 신축성 섬유형 열전소자는 기계적 자극과 열 자극을 모두 감지할 수 있어 웨어러블 스마트센서에 적합하다.
그러나 지금까지 탄소기반 열전소재는 열전 성능이 낮고, 무기 열전소재는 낮은 유연성이 한계로 작용했다.
섬유 한 올로 피부감각 재현
한국연구재단은 연세대 이태윤 교수 연구팀이 신축성이 우수하면서 인간피부 감각을 모사하는 섬유형태 웨어러블 센서시스템을 개발했다고 5일 밝혔다.
이번 성과는 웨어러블 전자기기를 활용한 개인 맞춤형 건강관리 시스템에서 높은 응용성을 제공할 것으로 기대된다.
연구팀은 고성능 무기 열전소재인 아이오딘화 구리 나노입자를 내장한 고성능 신축성 섬유형 열전소자를 개발하고, 웨어러블 전자기기에서 온도, 인장, 압력을 독립적이이면서도 동시에 감지하는 센서 시스템을 구현했다.
이번에 개발한 열전소자는 내부에 아이오딘화 구리 나노입자를 균일하게 분포시켜 높은 유연성과 신축성, 우수한 열전 성능을 동시에 달성한 것이 특징이다.
이를 위해 연구팀은 유연하고 신축성 있는 폴리우레탄 섬유에 열전 성능이 높은 아이오딘화 구리 나노입자를 밀도 있게 함유시켰다.
이렇게 제작한 섬유형 열전소자는 최대 835%의 신축성을 갖고 제벡계수 203.6㎶/K를 확보했다. 이는 기존 한계인 신축성 350%와 제벡계수 58㎶/K를 크게 앞선 것이다. 제벡계수는 온도차로 발생하는 전압 크기를 나타내는 값으로, 열전소자의 성능을 평가하는 지표다.
특히 연구팀은 섬유형 열전소자를 멀티모달 센서 형태로 웨어러블 스마트 장갑에 통합해 다양한 자극을 감지하는 인간피부 감각을 모사한 센서 시스템을 구현했다.
스마트 장갑은 출력전압, 전기저항, 정전용량 등 서로 다른 변수의 변화를 측정해 온도·인장·압력 변화를 독립적이면서 정밀하게 동시에 감지할 수 있다.
연구팀이 개발한 열전소자는 웨어러블 전자기기에 적용돼 사용자의 일상적인 움직임, 체온, 혈압 등 다양한 생체 신호를 정밀하게 감지, 건강상태를 지속적으로 관찰하는 맞춤형 관리시스템에 적용할 수 있다.
아울러 이를 개인형 의료기기로로 확장해 비대면 진료와 원격 진단, 맞춤형 치료를 가능케 해 혁신적인 스마트 헬스케어 기술을 발전시킬 전망이다.
이 교수는 “이번 연구는 섬유 한 가닥으로 다양한 피부감각을 재현하는 기술을 새롭게 제시한 것”이라며 “이 기술은 향후 웨어러블 기기를 통한 맞춤형 건강모니터링과 비대면 스마트 의료기기에 적용될 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.
한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 나노미래소재원천기술개발, 글로벌 융합연구지원, 중견연구사업 지원으로 수행됐고, 연구결과는 국제학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머터리얼스’ 지난 2일 표지논문으로 선정됐다.
