[뉴스프리존,대전=이기종 기자] 한국연구재단(NRF)은 연세대학교 신소재공학과 명재민 교수팀이 전기화학발광(electrochemiluminescence) 물질을 기반으로 간단한 구조로 저전압에서 구동되는 착용가능한 압력감응 발광센서를 개발했다고 30일 밝혔다.

인간의 피부는 신체에서 가장 큰 장기로 외부 환경과 상호 작용하는 복잡한 감각 기관이다.

이 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 시각화해 복잡한 장치가 필요하고 즉각적인 자극을 감지하기가 어렵다.

최근 이를 극복하고자 순간적인 발광을 통해 외부 자극을 즉시 시각화를 하는 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 구성돼 있다.

또 현재 개발된 압력감응 발광센서는 발광을 위해 높은 전압이 필요해 인체에 직접 부착하여 사용하기에 부적절하다.

이번 연구팀은 이러한 제한점을 해결하기 위해 전기화학발광 물질을 이용하여 저전압에서 안정적인 발광이 가능하고 전극만 요구되는 간단한 구조의 압력감응 발광센서를 개발했다.

연구과정을 보면 전기화학발광 물질은 산화환원반응을 돕기 위해 이온성 액체를 전해질로 사용해 전해질의 누수를 방지하고 간편하게 소자에 응용하기 위해 고분자와 혼합하여 겔형으로 제조됐다.

제작된 전기화학발광 층은 스핀 코팅으로 산화인듐주석(ITO)이 증착된 피이티(PET) 기판에 도포되고 열처리를 통해 겔화(gelation)하여 사용됐다.

또 상부 전극으로는 산화환원반응에 손상되지 않고 외부 압력에 민감하게 반응하기 위해 탄소나노튜브를 피디엠에스(PDMS)에 내장하여 연신 가능한 전극으로 사용했다.

이후 전기화학발광 층이 도포된 ITO 전극 위에 스페이서(Spacer)를 붙여 공간을 확보하고 연신 가능한 전극을 적층하여 센서를 완성했다.

이 연구결과에 의하면 완성된 전기화학발광 기반 압력감응 발광센서는 PET 기판과 PDMS 기판으로 구성되어 곡면에 부착 가능하고 센서는 곡률반경 10mm으로 변형 시 5000회까지의 반복 변형에도 발광을 유지했다.

또 외부 자극의 모양, 크기 및 위치에 따라 즉각적인 발광 반응을 보여 압력감응 발광센서로 작동하고 인체 관절에 붙여 동작 감지 센서로도 작동했다.

이 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구지원사업의 지원으로 수행됐고 나노과학 분야 국제학술지 ‘에이씨에스 나노(ACS Nano)’에 7월 9일 게재됐다.