[사이언스] 전기화학발광 기반 웨어러블 압력감응 발광센서

외부 압력 및 인체 움직임을 감지하는 착용가능한 발광센서 개발

특허뉴스 염현철 기자 | 기사입력 2020/07/29 [13:55]

[사이언스] 전기화학발광 기반 웨어러블 압력감응 발광센서

외부 압력 및 인체 움직임을 감지하는 착용가능한 발광센서 개발

특허뉴스 염현철 기자 | 입력 : 2020/07/29 [13:55]

▲ 전기화학발광 기반 압력감응 발광센서의 제작 공정 모식도 / (가) 발광영역 제어를 위해 스페이서가 처리된 ITO 코팅된 PET 기판 제작 / (나) 전기화학발광물질의 도포 / (다) 얇은 필름으로 제작된 탄소나노튜브 막과 PDMS 기판 / (라) 탄소나노튜브가 내장된 PDMS 기판 제작 / (마) 통합된 압력감응 발광센서 / 출처 : 연세대학교 명재민 교수  © 특허뉴스

 

인간의 피부는 신체에서 가장 큰 장기로 외부 환경과 상호 작용하는 복잡한 감각 기관이다. 피부가 손상되면 주변 환경의 변화를 인식하지 못해 인체는 위협에 노출되고 나아가 정신적 고통을 유발할 수도 있다. 이 중요한 장기를 모방하기 위해 개발된 압력감응 센서는 로봇 공학 및 전자 피부 분야에서 활발히 연구됐다.

 

그러나 일반적인 압력감응 센서는 외부의 물리적 자극을 전기 신호로 변환하고 이를 추가적인 장치를 통해 시각화하므로 복잡한 장치가 필요하고 즉각적인 자극을 감지하기가 어렵다.

 

최근 이를 극복하고자 순간적인 발광을 통해 외부 자극을 즉시 시각화 할 수 있는 다양한 압력감응 발광센서 및 대화형 디스플레이가 활발히 연구되고 있다. 그러나 현재까지 보고된 대부분의 연구는 유기발광소자(OLED)를 기반으로 제작되어 발광을 위해 전극과 발광층뿐만 아니라 전자와 정공 주입층 및 수송층을 필요로 하는 복잡한 다층구조로 구성되어있다.

 

또한, 현재 개발된 압력감응 발광센서는 발광을 위해 높은 전압이 필요하므로 인체에 직접 부착하여 사용하기에 부적절하다. 따라서 차세대 착용가능한 압력감응 발광센서를 위해서는 간단한 구조로 저전압에서 구동 가능한 압력감응 발광센서가 개발되어야 한다.

 

한국연구재단은 연세대학교 신소재공학과 명재민 교수 연구팀이 전기화학발광 물질을 기반으로 간단한 구조로 저전압에서 구동되는 착용가능한 압력감응 발광센서를 개발했다고 밝혔다.

 

기존의 압력감응 센서는 외부의 물리적 자극을 전기 신호로 변환하고 이를 추가적인 장치를 통해 시각화하므로 구조가 복잡하고 즉각적으로 자극을 인식하기가 어려웠다.

 

이에 순간적인 발광을 통해 외부자극을 즉시 시각화할 수 있는 다양한 압력감응 발광센서 및 대화형(interactive) 디스플레이가 활발히 연구되고 있지만 발광특성 확보를 위한 복잡한 구조와 고가의 재료사용 등으로 인해 센서에 활용하는데 어려움이 있다.

또한 현재까지의 압력감응 발광센서는 높은 구동 전압이 필요하기에 인체에 직접 부착하기에는 위험하다.

 

이에 연구팀은 기존의 압력감응 발광센서의 문제점을 해결하고자 전기화학발광 물질을 겔(gel)형으로 제작, 발광층으로 사용하였다.

 

▲ 착용가능한 압력감응 발광센서의 특성 / (가) 압력감응 발광센서의 구동 모식도 / (나) 외부 압력에 따른 압력감응 발광센서의 발광 사진 / (다) 외부 압력의 모양에 따른 압력감응 발광센서의 발광 사진 / (라) 인체에 부착하여 착용가능한 소자로 구현된 압력감응 발광센서의 발광 사진 / 출처 : 연세대학교 명재민 교수  © 특허뉴스

 

산화환원 반응을 기반으로 하는 전기화학발광 물질을 활용하면 저전압에서 안정적인 발광이 가능하고, 특히 기존 유기발광 소자(OLED)와 다르게 전극만으로 발광할 수 있는 간단한 구조로 만들 수 있다.

 

개발된 압력감응 발광센서는 외부 자극의 모양, 크기 및 위치를 즉각적으로 표시할 수 있고, 인체에 붙여 동작 감지 센서로 작동시킬 수 있었다.

 

매우 간단한 구조로 저전압에서 구동되는 착용가능한 압력감응 발광센서를 개발한 이번 연구성과는 인체나 로봇의 관절에 부착할 수 있는 센서 및 대화형 디스플레이 분야의 새로운 활용 가능성을 제시할 것으로 기대된다.

 

이번 연구의 성과는 나노과학 분야 국제학술지 에이씨에스 나노(ACS Nano)’79일 게재되었다.

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