광운대 전자공학과, '고성능·신축성' 다 잡은 웨어러블 센서 개발

[서울=뉴시스]이예인 인턴 기자 = 박재영 광운대학교 전자공학과 교수 연구팀이 사람의 피부처럼 늘어나면서도 미세한 신체 움직임을 빠르고 정확하게 감지할 수 있는 무전원 웨어러블 디지털 트윈 센서를 개발했다.

13일 광운대에 따르면 이번 연구는 로비우 박사과정생이 제1저자로, 박 교수가 교신저자로 참여했다. 연구 성과는 에너지 소재 및 소자 전문 저널인 엘시비어의 '나노에너지'에 게재됐다.

재활, 스포츠 등 다양한 분야에서 활용되는 웨어러블 전자기기는 센서의 단단한 구성 요소 때문에 피부와 함께 자연스럽게 변형되기 어렵고, 반복해서 움직일 때 접촉이 불균일해져 성능이 떨어지는 한계가 있다.

연구팀은 표면적이 넓고 미세한 구멍이 많은 다공성 구조의 금속·유기 골격체 'NENU-5'에서 돌파구를 찾았다. 

NENU-5 내부의 특수 금속 화합물(몰리브덴 기반 폴리옥소메탈레이트)은 실리콘의 전자 수용력을 높이고 생성된 전하를 붙잡아 둔다. 다공성 구조의 넓은 표면적은 표면 전하 생성을 돕는다.

연구팀은 NENU-5를 활용해 피부처럼 늘어나면서도 전기를 만드는 '자가발전형 센서'를 개발했다. '실리콘·NENU-5' 나노복합소재 기반 마찰대전 나노발전기는 순수 실리콘 기반 소자보다 전력밀도가 약 5배 높았다.

기존 센서의 낮은 신축성 문제를 해결하기 위해 뱀 모양의 유연한 배선 구조인 '서펜타인'과 일정한 칼집을 내 그물망처럼 늘어나는 '키리가미' 구조를 결합한 새로운 '서피-가미' 구조를 설계했다.

여기에 실리콘·NENU-5 나노복합소재를 적용해 변형 과정에서도 안정적인 접촉을 유지하며 300% 이상의 높은 신축성을 달성했다.

연구팀은 이 센서를 웨어러블 디지털 트윈 인터페이스로 확장했다. 손가락을 굽히는 동작을 약 0.03초 만에 감지해 가상 객체와 실시간 연동함으로써, 실제 움직임을 가상공간에 구현할 가능성을 제시했다. 

또한 손가락 움직임 신호를 딥러닝 모델과 결합한 결과, 서로 다른 동작 패턴을 약 98% 정확도로 분류하는 데 성공하며 수어 인식 및 직관적인 인간·기계 상호작용 가능성도 입증했다.

이번 기술은 '고성능·신축성'을 동시에 달성해 향후 스마트 재활 시스템, 소프트 로봇 및 전자피부 등으로 확장될 전망이다.


◎공감언론 뉴시스 yein020528