섬유 한 가닥으로 인간 피부 감각 재현 성공

연세대학교 이태윤 교수팀이 개발한 아이오딘화 구리(CuI) 기반 고성능 신축성 섬유형 열전 소자.(사진=연세대 이태윤 교수 제공)

국내 연구진이 늘어나는 섬유형태의 신개념 열전소자를 개발해 인간의 피부감각을 모사하는 웨어러블 센서시스템을 구현하는데 성공했다.

한국연구재단은 연세대학교 이태윤 교수팀이 고성능 무기 열전소재인 아이오딘화 구리(CuI) 나노입자가 내장된 고성능 신축성 섬유형 열전소자를 개발하고 이를 활용해 웨어러블 전자기기에서 온도, 인장, 압력을 독립적이면서 동시에 감지할 수 있는 센서시스템을 구현했다고 5일 밝혔다.

p형 반도체 특성을 갖는 아이오딘화 구리는 광전자 및 열전소재로 활용되는 구리와 아이오딘의 이온화합물이다. 열전소자는 열에너지를 전기에너지로 변환하거나 전기에너지를 열에너지로 변환하는 소자다.

비대면 건강관리의 중요성이 커지면서 웨어러블 전자기기를 통한 개인 맞춤형 건강 모니터링시스템 수요가 증가하고 있어 사용자의 움직임과 체온변화 등 신체데이터를 정밀하게 감지할 수 있는 유연하고 신축성있는 열전소자 기반의 센서가 중요해지고 있다.

하지만 기존 유기 열전소재는 열전 성능이 낮고 무기 열전소재 기반의 소자는 유연성과 신축성이 부족해 실제 환경에서 웨어러블 전자기기용 센서로 활용하기에는 한계가 있다.

이번에 이 교수팀이 개발한 고성능 신축성 섬유형 열전소자는 내부에 아이오딘화 구리(CuI) 나노입자가 균일하게 분포돼 있어 높은 유연성과 신축성, 우수한 열전 성능을 모두 갖고 있다.

이를 위해 연구팀은 유연하고 신축성있는 폴리우레탄 섬유 내에 열전 성능이 높은 아이오딘화 구리 나노입자를 밀도 있게 함유시켰다.

개발된 섬유형 열전소자는 최대 835%까지 신축되면서 203.6마이크로볼트퍼켈빈(μV/K)의 높은 제벡계수를 지녀 기존 한계인 350%의 신축성과 58μV/K의 제벡계수(온도 차이에 의해 발생하는 전압의 크기)를 크게 극복했다.

연구팀은 또 섬유형 열전소자를 멀티모달 센서 형태로 웨어러블 스마트 장갑에 통합해 다양한 자극을 감지하는 인간의 피부 감각을 모사한 센서 시스템도 구현했다.

이 스마트 장갑은 출력 전압, 전기 저항, 정전 용량과 같은 서로 다른 변수들의 변화를 측정해 온도, 인장, 압력 변화를 독립적이면서도 동시에 정밀하게 감지할 수 있다. 이를 통해 웨어러블 전자기기를 활용한 개인 맞춤형 건강 관리시스템으로의 응용 가능성을 입증했다.

과학기술정보통신부와 연구재단 지원으로 수행된 이번 연구 결과는 국제학술지 '어드밴스드 펑셔널 머터리얼스(Advanced Functional Materials)'에 지난달 2일 게재됐고 전면 표지(Front Cover) 논문으로 선정됐다.(논문명:Highly Stretchable Thermoelectric Fiber with Embedded Copper(I) Iodide Nanoparticles for a Multimodal Temperature, Strain, and Pressure Sensor in Wearable Electronics)

이태윤 교수는 "이번 연구에서 섬유 한 가닥으로 인간의 다양한 피부 감각을 재현하는 기술을 새롭게 제시했다"면서 "향후 웨어러블 기기를 통한 개인 맞춤형 건강 모니터링 및 비대면 스마트의료기기로 활용될 수 있을 것"이라고 말했다.