전기화학발광 기반 웨어러블 압력감응 발광센서-외부 압력 및 인체 움직임을 감지하는 착용가능한 발광센서 개발

전기화학발광 기반 웨어러블 압력감응 발광센서-외부 압력 및 인체 움직임을 감지하는 착용가능한 발광센서 개발

 

등록일 2020.07.29.

 

전기화학발광 기반 웨어러블 압력감응 발광센서
외부 압력 및 인체 움직임을 감지하는 착용가능한 발광센서 개발

□ 한국연구재단(이사장 노정혜)은 명재민 교수(연세대학교 신소재공학과)연구팀이 전기화학발광(electrochemiluminescence) 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 필요 하기에 인체에 직접 부착하기에는 위험하다.

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

○ 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.

□ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구지원사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 나노과학 분야 국제학술지 ‘에이씨에스 나노(ACS Nano)’에 7월 9일 게재되었다.

 

주요내용 설명

<작성자 : 연세대학교 명재민 교수>

논문명
Wearable and Semitransparent Pressure-Sensitive Light-Emitting Sensor Based on Electrochemiluminescence
저 자
명재민 교수(교신저자/연세대학교), 권도균 연구원(제1저자/연세대학교)

1. 연구의 필요성
○ 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.

2. 연구내용
○ 본 연구진은 전기화학발광 물질을 이용하여 저전압에서 안정적인 발광이 가능하고, 전극만 요구되는 간단한 구조의 압력감응 발광센서를 개발하였다. 산화환원반응을 기반으로 하는 전기화학발광 소자는 교류 전압으로 구동되어 종래의 발광소자에 비해 매우 간단한 구조로 작동할 수 있다.
○ 전기화학발광 물질은 산화환원반응을 돕기 위해 이온성 액체를 전해질로 사용하였고 전해질의 누수를 방지하고 간편하게 소자에 응용하기 위해 고분자와 혼합하여 겔형으로 제조되었다. 제작된 전기화학발광 층은 스핀 코팅으로 산화인듐주석(ITO)이 증착된 피이티(PET) 기판에 도포되었고 열처리를 통해 겔화(gelation)하여 사용되었다.
○ 상부 전극으로는 산화환원반응에 손상되지 않고 외부 압력에 민감하게 반응하기 위해 탄소나노튜브를 피디엠에스(PDMS)에 내장하여 연신 가능한 전극으로 사용하였다. 그 후, 전기화학발광 층이 도포된 ITO 전극 위에 스페이서(Spacer)를 붙여 공간을 확보하고 연신 가능한 전극을 적층하여 센서를 완성했다.
○ 완성된 전기화학발광 기반 압력감응 발광센서는 PET 기판과 PDMS 기판으로 구성되어 곡면에 부착 가능하였다. 센서는 곡률반경 10 mm으로 변형 시 5000회 까지의 반복 변형에도 발광을 유지하였다.
○ 또한 외부 자극의 모양, 크기 및 위치에 따라 즉각적인 발광 반응을 보여 압력감응 발광센서로 작동하였고, 인체 관절에 붙여 동작 감지 센서로도 작동 가능하였다. 완성된 발광센서는 Spacer의 높이 조절과 PDMS의 강도 조절을 통해 발광에 필요한 최소 외부 압력을 조절하여 센서 민감도를 조절할 수 있었다.

3. 연구성과/기대효과
○ 착용가능한 전자소자 시대를 앞두고 다양한 변형가능한 센서들이 활발 하게 연구되고 있다. 그중 전기화학발광 기반의 압력감응 발광센서는 기존의 압력감응 센서가 갖는 다양한 한계를 극복했고 민감도 조절이 가능하므로 대화형 디스플레이, 전자 피부, 그리고 로봇 공학 등의 분야에서도 광범위하게 응용 가능할 것이라 기대한다.

그림 설명

 

 

(그림1) 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

 

 

(그림2) 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

 

연구 이야기

<작성자 : 연세대학교 명재민 교수>
□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

최근 반도체 기술은 궁극적으로 인체나 옷에 부착하여 사용 가능한 전자소자를 개발하기 위해 빠르게 나아가고 있다. 이러한 착용 가능한 전자소자를 개발하기 위해서는 변형 가능한지가 필수적이며 인체에 부착하여도 무리 없도록 간단하고 가벼운 구조가 필수적이다. 또한, 인체에 위협이 될 수 있으므로 저전압 구동이 요구된다. 그러나 기존의 디스플레이 재료들은 발광을 위해 복잡한 구조를 필요로 하거나 고전압 구동을 기반으로 하므로 착용가능한 소자에 적용하기에 적합하지 않았다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

이번 연구성과는 전기화학발광 물질을 이용한 첫 착용가능한 압력감응 발광센서의 보고이다. 기존의 압력감응 센서를 개선하기 위해 발광 재료를 사용한 발광 센서가 최근 많이 보고되고 있지만, OLED 혹은 ZnS 기반의 발광 재료들은 복잡한 적층 구조를 갖거나 높은 구동 전압이 요구되어 인체에 부착하여 사용하기엔 한계가 있었다. 그러나 본 연구는 산화환원반응을 기반으로 발광하는 전기화학발광 물질을 적용하여 센서의 복잡한 구조를 최대한 단순화하였고 저전압에서도 발광이 가능한 센서를 구현하였으므로 기존의 연구가 개선해야 할 한계를 극복했다.

□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는?

전기화학발광 기반 압력감응 발광센서는 간단한 구조와 저전압 구동으로 인체에 부착하여 사용하기에 부담이 없고 변형이 가능하다. 또한, 외부 압력의 크기에 따라 발광하는 민감도 조절이 가능하므로 의료분야, 센서 그리고 산업 관련 분야 모두에서 굉장히 폭넓게 적용 가능하리라 생각한다. 현재 연구결과가 실용화되기 위해서는 가장 먼저 전기화학발광 물질의 특성이 개선되어야 한다. 지금까지의 전기화학발광 물질은 OLED 대비 발광 시간이 짧고 색순도가 좋지 않은 것이 현실이다. 또한 산화환원 원리로 구동되는 전기화학발광 물질에 손상되지 않도록 유연하면서 내화학성이 우수한 전극의 개발이 필요하다.