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[Technical News]웨어러블 땀센서, 마이크로 섬유 형태로 개발 성공

섬유 기반으로 생체이식형 전자소자 출현 가능해져

[Technical News]웨어러블 땀센서, 마이크로 섬유 형태로 개발 성공 - 다아라매거진 기술이슈
물 속 안정성, 생체 적합성을 지닌 웨어러블 땀센서


땀의 이온 농도를 실시간 측정하는 웨어러블 땀센서는 여름철 폭염일수와 온열 질환이 급증하면서 더욱 주목받고 있다. 특히 노인과 어린이, 야외 노동자와 같은 폭염 취약계층은 탈수에 대한 민감도가 낮으므로 기기를 이용한 실시간 점검과 주의가 필요하다.

기존 센서에 포함된 반도체 소자는 얇은 막 형태로써, 늘어나는 등의 유연성이 부족했다. 또한 박막의 규격에 따라 성능이 변화해 정확성이 낮은 점이 상용화의 걸림돌이 됐다.

이에 국내 연구진이 한 가닥의 섬유처럼 생긴 웨어러블 땀센서를 개발해, 탈수 여부를 실시간측정할 수 있게 됐다. 윤명한 교수(광주과학기술원), 주상현 교수(경기대학교) 공동연구팀은 전기가 흐르는 단일 가닥의 고분자 섬유를 기반으로 웨어러블 땀센서를 개발했다고 한국연구재단(이사장 노정혜)은 밝혔다.

연구팀은 2차원 박막 형태에서 벗어나 1차원 섬유 가닥 형태의 트랜지스터를 개발했고, 이를 기반으로 사용 편리성이 극대화된 땀센서를 제작했다. 직물에 센서 한 가닥을 삽입하는 간단한 제작 방식으로 생산성도 향상됐다. 사용된 고분자 물질의 특성으로 인해 장기간 물속에서도 안정적으로 구동되며, 높은 생체 적합성을 가진다.

특히 개발된 센서는 95% 이상의 높은 재현성과 정확성을 보였다. 반도체의 규격에 상관없이 이온 농도를 정확히 측정하는 기법을 적용한 덕분이다. 이 방법에서는 이온 농도 변화와 측정전류의 변화비가 비례하는 점을 이용했다.

윤명한 교수는, “수계 전도성고분자의 응용성을 기존 2차원 박막 소자에서 단일 섬유 형태의 소자까지 확장시키는 새로운 패러다임을 제시했다”라며, “가까운 미래에 신개념 섬유 기반 이식형 생체 전자소자의 출현을 앞당길 것으로 기대한다”라고 연구 의의를 설명했다.

윤 교수에 따르면, 기존 기술에서 센서에 사용되는 반도체는 활성층의 길이, 폭, 두께에 따라 민감하게 소자의 특성에 변화가 생겼다. 3차원 구조를 가지는 비평면 미세섬유상 공정의 경우 활성층 정의에 수백 um에서 수 mm 수준의 오차가 쉽게 발생해, 배치마다 특성이 일정하게 구현되기 어려웠다. 이 연구에서 제시한 특성화 기술은 이온 농도 변화에 의한 전류비 변화의 선형성을 응용해 땀 속 이온 농도를 역으로 유추하는 기술이다. 이는 활성층의 물리적 크기에 무관하며, 캐리어 농도(carrier concentration), 체적 커패시턴스(volumetric capacitance) 및 핀치오프 전압(pinch-off voltage) 등 재료의 특성에 의해 결정된다.

윤 교수는 “이 연구를 통해, 과거의 보편적인 박막형 소자구조에서 탈피한 새로운 섬유형 소자의 방향성을 제시했고, 섬유형 구조가 갖는 높은 생산성, 사용의 편리성과 더불어, 높은 정확성 및 재현성을 갖는 땀센서를 개발했다”고 말했다.

이 연구에서 개발한 땀센서는 ‘직물에 단순히 센서 한가닥만을 삽입해 센서를 구현할 수 있음’을 의미하며, 섬유형 웨어러블 전자기기(wearable electronics)의 빠른 상용화에 기여할 것으로 예상된다.
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