박재영 교수(전자공학과) 연구팀, 입는 재활 센서 개발

- 외부 전원과 피부 접촉 없이 움직임 실시간 감지하는 ‘독립형 신축성 스트레인 센서’ 개발 - 

- 환경 웨어러블 디지털 의료/헬스케어 스마트기기 및 인간-기계 인터페이스로 활용 기대 -

- 국제 저명 학술지, 와일리 출판의 어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈 표지논문(IF: 18.5) 게재 -

모교 박재영 교수(전자공학과) 연구팀이 외부 전원 없이 인체 움직임을 실시간으로 감지하고 모니터링할 수 있는 독립형 신축성 자가발전 스트레인 센서(Standalone, Stretchable, Self-Powered Strain Sensor, SPSS)를 개발했다. 본 연구팀이 개발한 기술은 차세대 웨어러블 디지털 헬스케어, 재활, 그리고 인간-기계 인터페이스(HMI) 분야에 새로운 가능성을 제시한 것으로 평가되고 있다.

이번에 개발된 SPSS는 에코플렉스(Ecoflex) 엘라스토머 내부에 이중 기능성 유기 하이드로겔(Bifunctional Organic Hydrogel, BOH)을 전략적으로 캡슐화한 구조를 채택했다. 이 구조는 소재 간 내부 마찰전기(triboelectrification)를 유도하여, 피부에 직접 접촉하지 않고도 방향성 및 전방위 움직임 감지가 가능하도록 한다. 이를 통해 관절의 움직임이나 재활 활동을 정확하게 실시간으로 모니터링할 수 있다.

기존 마찰전기 나노발전기(TENG, Triboelectric Nanogenerator) 기반의 웨어러블 스트레인 센서는 피부 접촉 의존성, 단방향 감지, 복잡한 다층 구조, 외부 전극 필요 등의 한계를 지녔다. 이러한 제약은 실제 재활 환경에서 장기적인 사용에 어려움을 야기했다. 박 교수팀은 이를 극복하기 위해, 높은 트라이보-포지티브(tribo-positive)성과 전도성을 가진 BOH를 소수성과 트라이보-네거티브 특성을 지닌 에코플렉스와 결합해, 피부 접촉이나 외부 전원 없이도 신축 동작에 따라 내부 접촉–분리(contact–separation)를 반복하며 전력을 생성하는 구조를 구현했다.

BOH는 염화나트륨의 조합으로 제작되었으며, 이로 인해 전기 전도도와 전하 생성 능력이 크게 향상되었다. FTIR(푸리에 변환 적외선 분광법)을 통해 아마이드 작용기의 존재가 확인되었고, 표면 전위 분석기(surface potential analyzer)로는 0.25 kV의 표면 전위가 측정되어 우수한 전기적 특성이 입증되었다. 또한, 에코플렉스 캡슐화는 탄성 계수 차이와 소수성–친수성 계면 간의 약한 접착력을 이용하여, 반복적인 내부 접촉–분리 메커니즘을 안정적으로 유지할 수 있게 했다.

연구팀은 실제 재활 환경 적용을 위해 방향성 센서(Directional, D-SPSS)와 전방위성 센서(Omnidirectional, OD-SPSS)를 각각 개발했다. D-SPSS는 손가락, 손목, 팔꿈치, 무릎 굽힘과 같은 선형 관절 움직임뿐만 아니라 말하기, 음료 마시기 등 미세 동작까지 감지할 수 있도록 설계되었다. OD-SPSS는 손목 회전, 발목 원형 운동, 악력 훈련, 심호흡 운동 등 복합적인 회전 동작을 효과적으로 측정할 수 있어, 재활 운동 감시용으로 최적화되었다. 두 센서 모두 높은 감도와 우수한 기계적 내구성, 안정적인 신호 특성을 입증했다.

특히 연구팀은 D-SPSS와 OD-SPSS를 하나의 플랫폼으로 통합한 ‘스마트 재활 밴드’도 함께 개발했다. 이 밴드는 지속적인 악력 모니터링, 상호작용형 재활 피드백 제공, 인간-기계 인터페이스 제어 기능을 포함해, 실시간 맞춤형 헬스케어 솔루션으로의 확장 가능성을 제시했다.

이번 연구를 통해 개발된 SPSS는 외부 전극이나 전력 공급 없이 작동하는 완전 밀착형 저형상(low-profile) 웨어러블 센서 구조를 제안함으로써, 제작 공정의 복잡성을 크게 낮추고 실용성을 극대화했다. 본 기술은 향후 지속적인 재활 모니터링, 개인 맞춤형 치료, 차세대 보조기기 등 다양한 분야에 폭넓게 활용될 것으로 기대된다.

어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈 표지논문(IF: 18.5) 게재

한편 이번 연구는 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단 중견연구자 지원사업(RS-2024-00351167) 및 한국산업기술진흥원의 산업기술혁신사업(RS-2022-00154983, 저전력 센서와 구동을 위한 자립형전원 센서 플랫폼 개발) 으로 수행되었고, 연구 결과는 세계 최고의 기능성 소재 및 소자 전문 저널인 와일리(WILEY) 출판의 어드밴스드 펑셔널 머트리얼즈(Advanced Functional Materials, IF: 18.5) 표지논문에 게재되었다.

https://doi.org/10.1002/adfm.202424907

출처 : 광운대학교 최신연구성과 (kw.ac.kr)