김현재·이태윤 교수팀, 초저전력 웨어러블로 대기 상태에서 전력소비 '0'... 신개념 건강 모니터링 시스템 탄생

늘이면 저항이 줄어드는 신개념 전도성 섬유 기반 인장 센서 개발로,

웨어러블 헬스케어 모니터링 시스템의 전력 소비를 80% 이상 대폭 줄여

재료과학 분야 JCR 상위 2% 국제학술지 ‘Advanced Materials’ 게재

[사진1. (왼쪽부터) 민원경 제1저자, 원치형 제1저자, 이태윤 교수, 김현재 교수]

공과대학 전기전자공학과 김현재 교수와 이태윤 교수는 고신축성 전도성 섬유를 기반으로, 늘어나면 저항이 줄어드는, 즉 ‘음의 저항 변화’를 갖는 차세대 인장 센서 기술을 개발하였다. 이 신기술은 대기 상태에서는 거의 전력을 소비하지 않으나, 사용자가 움직일 때만 전력을 소비하는 새로운 방식의 초저전력 웨어러블 헬스케어 시스템을 가능하게 한다.

최근, COVID-19의 유행으로 사람들이 직접 병원에 가지 않고 일상생활에서 개인의 건강을 모니터링하려는 수요가 매우 증가하였다. 이러한 요구를 충족시키기 위한 해결책으로 각광받고 있는 웨어러블 헬스케어 시스템은 사람의 몸에 착용되어 건강을 쉽게 체크할 수 있어, 이 시스템에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 하지만, 기존의 인장 센서를 활용한 웨어러블 헬스케어 시스템은 양의 게이지 팩터(Gauge-factor)※, 즉 늘어남에 따라 저항이 증가하는 원리를 이용하기 때문에, 시스템 가동을 위해 인장이 일어나지 않는 대기 상태에서도 끊임없이 전력이 소모되는 문제점이 있었다.

이에, 김현재·이태윤 교수 연구팀은 기존 웨어러블 헬스케어 모니터링 시스템의 한계를 극복하고자, 은 나노입자를 섬유에 합성시켜 만든 고신축성 전도성 섬유에 패터닝된 SU-8 기반의 절연막을 적층시켰다. 또한, 이를 다른 하나의 전도성 섬유와 꼬는 독특한 구조(twisting structure)를 제안했고, 이를 통해 음의 반응형 스위치 형태의 섬유형 인장 센서(Negatively responsive switch-type strain-sensor, NRS 인장 센서)를 개발하였다.

개발한 NRS 인장 센서는 평상시에는 부도체의 성질을 가지고 있지만, 자외선 조사를 통해 미리 설정된 절연막 층의 균열 밀도와 크기에 따라 인장이 발생할 때 도체의 성질을 나타내어, 저항이 크게 낮아지는 음의 게이지 팩터(최대 저항 변화율 ~ 3.9×108)를 가지게 된다. 이러한 변화는 인장이 게이트의 역할을 하는 스위치 장치처럼 작동하는 매커니즘으로, 이들은 5,000회 이상의 반복 인장 후에도 우수한 안정성을 보장하였다.

이러한 스위치 특성을 효과적으로 활용하여, 본 연구에서는 NRS 인장 센서를 3가지의 웨어러블 헬스케어 모니터링 시스템(E-피트니스 팬츠, 스마트 마스크, 자세교정용 티셔츠)에 실제로 적용하여, 각 시스템의 전체 소비전력을 최대 약 80%까지 획기적으로 줄이며 그 실용성까지 입증하였다.

[사진2. NRS 인장 센서를 활용한 웨어러블 헬스케어 모니터링 시스템 예시]

이번 연구 결과는 기존에 없었던 새로운 인장 감지 방법을 통해 대기전력 소모가 0에 가까운 웨어러블 헬스케어 모니터링 시스템 구현의 토대를 마련한 것으로, 인간-기계 인터페이스 디자인에서의 중요한 진전을 의미한다. 또한, 이 결과는 기기의 사용 수명을 대폭 연장시킴과 동시에, 일상적인 운동이나 움직임에 대한 정확한 감지 메커니즘을 제공할 수 있다는 점에서 큰 의의를 가진다.

김현재·이태윤 교수 연구팀은 “본 연구는 일상생활에서의 건강 모니터링에 있어서 새로운 패러다임을 제시하게 될 것"이라며 "이러한 모니터링 시스템은 단순히 착용하는 것만으로도 활성화될 수 있으며, 심지어는 문제 상황에서만 작동하도록 설계될 수 있기 때문에, 지속 가능한 헬스케어 솔루션에 대한 새로운 가능성을 제시한다."고 밝혔다.

한편, 이번 연구는 한국연구재단 “나노미래소재원천기술개발사업”과 “대학중점연구소지원사업”의 지원을 받아 수행되었으며, 연구의 우수성을 인정받아 재료과학 분야 세계 최상위 저널인 Advanced Materials(IF=29.4, JCR 상위 2%) 온라인 판에 7월 20일자로 공개됐다.

※ 게이지 팩터(Gauge-factor)란? - 게이지 팩터는 물체가 늘어나거나 수축할 때 그에 따른 전기 저항의 변화 정도를 측정하는 지표로 볼 수 있다. 이 지표는 센서가 얼마나 민감하게 물체의 변화를 감지할 수 있는지를 나타내는 중요한 역할을 한다.

<논문 정보>

● 논문 제목: Strain-Driven Negative Resistance Switching of Conductive Fibers with Adjustable Sensitivity for Wearable Healthcare Monitoring Systems with Near-Zero Standby Power

● 논문 주소: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202303556

<그림 설명>

그림1. NRS 인장 센서를 활용한 전도성 섬유 기반 헬스케어 모니터링 시스템 연구 개요.

일반적인 양의 게이지 팩터 특성을 가지는 인장 센서를 사용하게 되면, 인장이 일어나지 않는 대기 상태에서도 끊임없이 전력을 소모하게 되어 ‘동작 모드(On-mode)’에 머무르게 된다. 반면, 본 연구팀이 개발한 음의 게이지 팩터 특성을 가진 NRS 인장 센서를 활용하면 특정 조건(인장) 하에서만 작동하기 때문에, 대기 전력 소비를 극도로 줄인 ‘비활성 모드(Off-mode)‘를 생성할 수 있다.

그림2. NRS 인장 센서를 이용한 세 가지 헬스케어 모니터링 시스템 개발 예시.

E-피트니스 팬츠는 운동 성과를 실시간 모니터링하며, 스마트 마스크는 착용 시에만 미세먼지와 호흡을 센싱하고, 자세교정용 티셔츠는 잘못된 자세 감지하여 스마트폰에 알림이 보낼 수 있게 한다. 이들은 모두 본 연구팀이 개발한 음의 게이지 팩터 특성을 가진 NRS 인장 센서를 활용하여 대기 상태에서의 전력 소비를 최소화한다.