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산업 ETRI, 물체의 미세한 표면정보 보여주는 압력 디스플레이 개발
메디컬투데이 김민준 기자
입력일 : 2020-02-17 06:52:36
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디지털 헬스 및 생체인증 위한 웨어러블 디바이스로 응용 전망
▲ 신규 압력 감응형 디스플레이 구조도 (사진= 한국전자통신원 제공)

[메디컬투데이 김민준 기자]

국내 연구진이 생체인증, 웨어러블 기기, 의료용 보조기기 등 분야에 널리 활용될 아주 미세한 압력 변화도 쉽게 알아낼 수 있는 기술을 개발했다.

한국전자통신연구원(ETRI)은 서울대 연구팀과 함께 나노 복합소재를 이용해 기존보다 민감도가 최대 20배 높은 초고감도 투명 압력 센서를 개발했다고 밝혔다.

기존 압력 센서는 전극으로 날실과 씨실을 엮듯 십자 패턴을 만들고 맞닿는 부분의 압력에 따라 전도도가 달라지는 센서 물질을 넣어 만들었는데, 이런 구조는 감도가 떨어져 미세한 압력 변화 감지가 힘들며 압력 신호 데이터를 추가 처리해야만 관련 정보를 볼 수 있는 한계가 있다.

그러나 ETRI는 새로운 센서 물질로 나노 소재를 이용하고, 양자점(Quantum dot) 발광 소자의 적층 구조에 응용해 감도를 높이면서도 압력분포를 바로 볼 수 있게 개발했다.

즉, 압력에 의해 접촉된 부분만 발광하는 형태라는 것이다.

센서물질의 경우, 소재는 전도성 고분자 나노 와이어와 나노 셀룰로스를 섞은 복합 소재를 사용했으며 나노 와이어끼리 접촉이 많아지면 전도도가 높아진다는 특성을 이용해 접촉량을 늘릴 수 있도록 머리카락 두께의 1/100 굵기인 1㎛ 두께의 초박형 투명 고감도 센서로 개발했다.

또한 센서 물질을 적용한 양자점 소자도 개발했는데, 전기를 가하면 발광하는 퀀텀닷 구성층 맨 위에 연구진이 개발한 나노 물질을 올려 압력이 가해질 때만 전류가 흘러 빛을 내게 만든 것이다.

해당 센서는 투명하고 두께가 2㎛이고 100㎜ x 100㎜ 크기이며 압력이 가해지면 압력분포 부분이 실시간으로 빨갛게 표시되는 것은 물론, 빛의 3원색인 빨녹파(RGB) 표현도 모두 가능하다.

센서의 민감도의 경우, 사람 맥박 표시가 가능할 정도로 뛰어나고 압력의 범위도 손바닥 전체를 누르면 표시할 정도로 넓은데, 바늘 침의 압력도 감지 가능한 수준으로 정교해 전극을 복잡하게 배열할 필요가 없어 1㎛ 두께로 얇으면서도 감도가 높은 소자를 만들 수 있다.

즉, 해당 센서의 초고감도 성능을 활용하면 물체의 하중 및 물체의 표면이 어떤 모습인지도 구별 가능하다는 것이다.

실제로도 나뭇잎의 잎맥 형상, 손가락의 지문 모양 및 지문의 깊이 등 아주 작고 세밀한 패턴이 있는 물체의 표면들을 실시간으로 표시하고 데이터 처리를 통해 깊이감이 있는 3D로 표시해냈다.

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이외에도 나노 복합소재 색이 투명해 소자도 투명하게 만들 수 있어 다양한 기판에 올려 활용하기 쉽고, 유연하고 저렴한 센서 소재, 친환경적이기에 신체에 무해한 점, 용액 공정으로 적용하기도 쉬워 넓은 면적의 기판이나 웨어러블 기기를 제작할 때도 유리함은 물론, 습기 등 생활 오염이 발생하는 환경에서 장기간 사용해도 성능이 안정적으로 지속되는 결과도 확인됐다.

ETRI 이정익 실감소자원천연구본부장은 “연구진이 개발한 초박형 압력 센서는 초고감도 특성을 지녀 생체인증, 웨어러블 기기, 로봇 팔, 터치형 디스플레이, 의족/의수, 전자제품 등 압력 센서가 활용된 분야에 폭넓게 활용이 가능할 것이다”고 밝혔다.

연구진은 센서 및 특성 안정성을 추가 검증하는 연구를 진행하면서 보안, 전자, 의료 등 압력 센서 개발 업체 및 관련 산업 분야에 기술을 이전해 나갈 계획이다.

본 연구는 제1저자로 ETRI 플렉시블소자연구실 오지영박사와 서울대 이병문 박사연구원이 참여해 과기부의 “스킨트로닉스를 위한 감각 입출력 패널 핵심 기술 개발 ”및 “디스플레이 일체형 투명 플렉서블 복합 생체인식 디바이스 핵심기술 개발” 과제로 지원받아 이뤄졌으며
지난달 31일 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’온라인에 연구 성과가 게재됐다.  
메디컬투데이 김민준 기자(kmj6339@mdtoday.co.kr)
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