Journal of Materials Chemistry A 표지 논문.(사진=부산대 제공)

부산대학교 연구팀이 손목 맥박처럼 ‘아주 약한 압력’도 잘 감지하는 얇고 휘어지는 압력센서 개발에 성공했다. 이 센서는 피부에 붙여 쓸 수 있고, 제작이 간단하며 비용도 경제적이다. 미세 생체 신호 감지가 요구되는 웨어러블 헬스케어 분야 활용이 기대된다.

부산대는 재료공학부 이정우 교수팀이 비대칭 마이크로돔(Asymmetric Microdome Structure, AMS) 구조와 대면적 그래핀 소재(LrGO)를 결합해 저비용으로 제작이 가능하면서도 미세 압력 변화에 민감하게 반응하는 유연 센서 구현에 성공했다고 11일 밝혔다.

서로 다른 크기의 마이크로돔(Microdome)을 접촉시켜 고감도 압력 센싱이 가능하게 한 이번 성과는 세계적인 과학저널 『저널 오브 머터리얼스 케미스트리 에이(Journal of Materials Chemistry A)』 3월 3일자에 게재됐으며, 연구의 우수성을 인정받아 표지 논문으로 선정됐다.

디지털 헬스케어와 스마트 웨어러블 기술의 발전으로, 인체의 미세한 움직임과 생체 신호를 정밀하게 감지할 수 있는 유연 압력 센서의 중요성이 커지고 있다. 특히 손목 맥박, 음성 진동, 근육 움직임과 같은 미세 압력 신호를 안정적으로 측정하기 위해서는 높은 감도와 동시에 착용 가능한 형태가 요구된다.

그러나 기존 웨어러블 압력 센서는 높은 감도를 확보하기 위해 복잡한 공정 과정을 거쳐 제작하거나, 고가 소재에 의존하는 한계가 있었다. 따라서 저비용으로 제작이 가능하면서도 미세 생체 신호를 감지할 수 있는 고감도 센서 구조 개발이 중요한 연구 과제로 주목받고 있다.

이에 부산대 이정우 교수팀은 구리 몰드/용액 공정 기반으로 대면적의 환원된 산화그래핀(Large-sized reduced graphene oxide, LrGO)을 마이크로돔 형태의 유연압력센서 플랫폼에 적용해, 피부에 부착 가능하며 무선으로 신체 활동을 모니터링할 수 있는 센서 개발에 나서 이번에 성공했다.

연구팀은 압력이 가해질 때 접촉이 단계적으로 증가하는 구조를 설계함으로써 기존 센서의 감도 한계를 극복했다. 이를 통해 저압 영역에서 최대 63.07 kPa⁻¹의 감도를 달성했으며, 기존 센서 대비 약 6배 향상시켰다.

이러한 감도 향상은 비대칭 마이크로돔의 순차적 접촉 면적 증가 메커니즘에 기반하며, 유한요소법(Finite element method, FEM) 시뮬레이션을 통해 대칭 구조 대비 감도가 2배 이상 향상됐음을 검증했다.

또한 대면적 산화 그래핀의 우수한 전도 특성이 접촉 저항 변화를 효과적으로 반영하도록 해 감도 향상에 기여했으며, 이를 통해 손목 맥박과 같은 매우 작은 압력 변화까지 안정적으로 검출할 수 있음을 확인했다.

개발된 센서는 실제 생체 신호 측정에서도 우수한 성능을 보였다. 손목 맥박의 P₁, P₂, P₃ 특성 피크를 비롯해 음성 및 삼킴 동작, 얼굴 근육과 관절 움직임을 감지할 수 있었으며, 무선 모니터링도 가능했다. 이는 미세 생체 신호 감지가 요구되는 웨어러블 헬스케어 분야에서의 활용 가능성을 보여준다.

특히 해당 센서는 전반적인 제작 공정을 저비용으로 구현했다는 점에서 주목된다. 감지 소재로 금속 증착 대신 용액 공정 기반 산화그래핀을 적용했으며, 마이크로돔 구조 기판 역시 기존의 실리콘 웨이퍼 대신 구리 포일 몰드를 활용해 제작했다. 이를 통해 진공 기반 공정을 사용하지 않으면서도 고감도 성능을 유지할 수 있는 저비용 제작이 가능해졌다.

이정우 부산대 교수는 “이번 연구 결과는 FEM을 이용한 설계와 비 실리콘계 몰드를 이용한 이론과 실험의 조합 연구로 고감도 센서를 구현했다는 데 의미가 있다”며 “용액 공정 기반 대면적 그래핀을 사용해 전도층을 저렴하게 코팅할 수 있고, 몰드 제작 시 복잡한 공정을 줄일 수 있어 앞으로 많은 활용이 기대된다”고 말했다.

이번 연구는 부산대 재료공학부 강여울 석사졸업생과 이화여대 휴먼기계바이오공학과 김마리 석사졸업생이 제1저자, 부산대 이정우 교수, 이화여대 이상륜 교수, 연세대 유기준 교수가 교신저자로 수행했다. 이 연구는 중견연구, 개척연구, 산업통상자원부의 월드클래스플러스프로젝트지원사업과 소재부품기술개발사업, 이노코어사업, BK21 FOUR 사업의 지원을 받았다.