포스텍(POSTECH)은 강대식 기계공학과 교수 연구팀이 거의 느껴지지 않을 정도의 미세한 움직임까지 감지할 수 있는 초고감도 센서를 개발했다고 18일 밝혔다. 이 센서는 호흡과 같은 극미세 신체 신호를 정밀하게 포착할 수 있어 웨어러블 기기와 로봇 기술 전반에 새로운 활용 가능성을 제시한다.
사람의 몸이나 구조물 표면에서는 눈에 보이지 않을 만큼 작은 변형이 끊임없이 발생한다. 심장 박동과 호흡, 맥박은 물론 매우 약한 힘이나 진동도 이에 포함된다. 이런 미세 변화를 감지하는 센서는 헬스케어 기기와 로봇 공학, 인간–기계 상호작용 기술의 핵심 부품으로 꼽혀왔다.
그러나 기존 센서는 변형이 클 때는 잘 반응하지만, 머리카락 굵기보다 작은 움직임에는 감도가 크게 떨어진다는 한계가 있었다.
연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 나노미터 수준의 매우 얇고 유연한 금 기반 센서를 개발했다. 핵심은 금 표면에 형성되는 ‘나노 크랙’, 즉 미세 균열을 정밀하게 제어하는 기술이다. 금 전극에 생기는 균열의 깊이가 깊어질수록 아주 작은 변형에도 전기 신호 변화가 크게 나타난다.
다만 균열이 지나치게 깊어지면 전극이 끊어져 센서로 사용할 수 없게 된다. 이를 해결하기 위해 연구팀은 전극 아래에 반경화 폴리이미드(Semi-cured Polyimide) 중간층을 도입했다. 이 층은 섭씨 200도에서 절반만 경화된 상태로, 금이 성장하는 과정에서 저항을 줄여 균열이 깊어지면서도 전기적 연결이 유지되도록 돕는다. 결과적으로 매우 민감하면서도 안정적으로 작동하는 구조를 구현했다.
이 설계로 센서는 늘어남이 2%에 불과한 조건에서 게이지 팩터 10만을 기록했다. 이는 기존 금 기반 센서보다 약 50배 이상 높은 민감도다.
연구팀은 이 센서를 콧등에 부착해 호흡 실험을 진행했다. 숨을 들이쉬고 내쉴 때 코 내부 압력 변화로 피부가 극히 미세하게 움직이는데, 이는 기존 센서로는 측정이 거의 불가능한 수준이다. 새로 개발된 센서는 이러한 변화를 안정적으로 감지했고, 측정된 신호는 실제 호흡 패턴과 정확히 일치했다.
센서는 매우 얇고 잘 휘어져 피부에 밀착되며 착용 시 불편함이 거의 없다. 이에 따라 마스크형이나 벨트형 장비를 대체하는 새로운 호흡·신체 신호 측정 기술로 활용될 가능성이 제시된다.
강대식 교수는 “금의 미세한 성장을 정밀하게 제어해 아주 작은 움직임에도 민감하면서 안정적으로 작동하는 센서를 구현했다”며 “웨어러블 기기와 소프트 로봇 등 다양한 분야로 확장될 수 있을 것”이라고 말했다.
이번 연구는 국제 학술지 어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials) 온라인판에 게재됐으며, 한국연구재단 개인기초연구사업과 기초연구실사업, 박사과정생 연구장려금사업의 지원을 받아 수행됐다.
김지윤 기자/ hello@sciencewave.kr
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