백선하 서울대병원 신경외과 교수 및 박원철·장왕 서울대 응용바이오공학과 교수 공동 연구팀이 인간의 피부에 부착해 건강 상태와 움직임을 모니터링 할 수 있고, 착용 가능하면서 신축성 있는 ‘스트레인 센서’를 개발했다. 이 센서는 전도성 고분자 복합재(conductive polymer composites, CPC)를 사용해 제작됐으며, 높은 감도와 우수한 성능을 갖췄다. 맞춤형 건강관리 및 진단·모니터링 분야에서 중요한 역할을 할 것으로 기대된다.

연구팀은 CPC 스트레인 센서의 제조방법, 작동 메커니즘 및 스트레인 감지 기능에 대한 연구를 통해 고감도와 우수한 신축성을 갖춘 센서를 설계·개발하고 이와 관련된 표준 및 가이드라인을 26일 제시했다.

스트레인 센서는 물체의 변형이나 변위를 측정하는 장치다. 주로 기계적인 스트레스나 압력이 가해질 경우 그 변화량을 전기적 신호로 변환하여 측정한다. 예컨대 센서가 장착된 부분에 힘이 가해져 늘어나면 센서의 저항 값이 변하고, 이를 통해 신호가 생성돼 변형의 정도를 측정할 수 있다.

개발된 CPC 스트레인 센서는 전도성 필러와 유연한 고분자를 혼합해 제조됐다. 다양한 부위에 부착해 심박수, 호흡, 근육 움직임 등을 정밀하게 모니터링 할 수 있다. 센서는 높은 게이지 인자를 통해 아주 미세한 변화까지 감지할 수 있으며, 착용감과 생체 적합성이 뛰어나다.

연구팀은 센서의 구조적 설계에서부터 제조법에 이르기까지 다양한 기술을 적용했다. 스트레인 감지 메커니즘에서는 구조 공학, 단절, 균열 전파 및 터널링 효과를 활용하여 높은 감도의 변형률 감지를 가능하게 했다. 이는 센서가 신체의 복잡한 움직임에도 민감하게 반응할 수 있도록 만든다.

센서의 제조 과정에서는 ‘혼합 도핑’과 ‘표면 개질’ 두 가지 기술이 활용됐다. 혼합 도핑은 전도성 나노필러를 용융 폴리머에 직접 섞는 방식으로 전도성 네트워크의 효과적인 제어를 가능하게 했다. 표면 개질은 전도성 필러를 폴리머 기판 표면에 선택적으로 개질하여 센서의 감도와 내구성을 향상시켰다.

박원철 교수는 “이번 연구를 통해 고성능 CPC 스트레인 센서 개발이 완성되면 첨단 건강 모니터링 시스템을 통해 일상생활 속에서 쉽게 건강을 관리하고, 삶의 질을 향상시킬 수 있을 것”이라고 말했다.

백선하 교수는 “향후 이 센서가 건강 모니터링뿐 아니라 파킨슨병, 뇌졸중, 치매 등 다양한 뇌질환의 진단과 모니터링에도 유용하게 활용될 수 있기를 희망한다”고 말했다.

이번 연구논문은 국제 학술지 ‘나노재료과학’(Nano Materials Science, IF = 9.9) 온라인에 게재됐다.