피부에 붙여 체온과 맥박 등 미세한 신체 변화를 읽어낼 수 있는 센서 소재가 개발됐다.
김수현·권순용 UNIST 반도체소재부품대학원 교수팀은 온도와 압력 변화를 모두 감지하는 티타늄 탄질화물 기반 초고민감도 '맥신'을 개발했다고 11일 밝혔다.
맥신(MXene)은 금속과 탄소 또는 질소로 이뤄진 원자층이 켜켜이 쌓인 형태의 나노 소재다. 얇고 유연하며 전기도 잘 통해서 웨어러블 센서용 소재로 주목 받는다.
김 교수팀이 개발한 맥신(Ti₃CNTz)은 질소가 없는 기존 맥신(Ti3C2Tx)보다 온도 변화와 압력 자극 민감도가 각각 3배, 4배 이상 높다. 미세 자극에도 전기저항이 크게 변해서 인체 상태를 훨씬 더 선명한 전기신호로 인식한다.
김 교수팀은 최적의 질소 농도를 조합해 이 소재를 개발했다. 질소는 특정 영역에서 전자 밀도를 높이고, 격자 진동 현상을 강화해 외부 자극에 대한 반응성을 극대화한다.
김 교수팀은 맥신의 아코디언 같은 구조가 센서의 기계적 강도를 강화한다는 것도 확인했다. 밀도함수이론(DFT)계산과 방사광 기반 엑스선 흡수 미세 구조(XAFS) 실험 분석으로 이를 입증했다.
개발 소재로 만든 센서는 미세 압력 변화를 감지해 말하기, 침 삼키기, 기침하기 등 성대의 미세한 떨림을 완벽하게 구분했다. 눈가에서 눈 깜박임, 손목에서 맥박 파형을 실시간으로 포착했고, 신발 뒤꿈치에 부착하면 보행 패턴을 분석해냈다.
1~2㎜ 떨어진 상태에서 비접촉 온도 감지도 가능하다. 스마트폰 카메라 플래시에서 발생하는 적외선 열 감지나 손가락이 닿지 않은, 미세 접근만으로 주변 온도 변화를 인식했다.
김수현 교수는 “차세대 인간-기계 인터페이스나 지능형 로봇 전자 피부를 구현할만한 전환적 기술”이라며 “헬스케어에서 에너지 저장, 촉매, 전자기파 차폐 등 다양한 첨단 나노소재 분야로 응용 가능하다”고 설명했다.
이 연구 성과는 '어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈' 4월 12일 온라인으로 공개됐다.
울산=임동식 기자 dslim@etnews.com
