국민대학교 대학원 전자공학과 16학번 석사과정 이지은 (반도체 소자 및 집적회로 연구실: 지도교수 김동명, 김대환, 최성진) 학생이 탄소나노튜브(carbon nanotube)를 이용하여 매우 투명하고, 유연성이 뛰어난 스트레인 센서(strain sensor)를 개발하였다.

탄소나노튜브를 분리, 정제하여 가시광선에서 매우 투명한 성질을 가지는 금속성(metallic) 탄소나노튜브만 추출하고, 이를 매우 유연한 실리콘 고무(폴리디메틸실록산, Polydimethylsiloxane)와 혼합체를 만들어 이를 스트레인 센서에 적용하였다. 기존 투명/유연한 스트레인 센서는 주로 은나노선(silver nanowire)으로 제작이 되지만, 내구성과 투명도 면에서 부족함이 많았다. 또한 탄소나노튜브 기반의 스트레인 센서에 대한 연구도 많이 보고된 바 있지만, 투명도와 전도도의 증가를 위해 분리, 정제된 금속성 탄소나노튜브를 사용한 것은 최초로 시도된 연구이다.

이지은 석사과정 학생은 전기적, 기계적, 열적, 화학적 성질이 매우 뛰어나고 투명도도 매우 우수한 금속성 탄소나노튜브를 이용하여 실리콘 고무와 혼합하여 네트워크 구조로 형성하고, 이러한 네트워크 구조가 외부에서 가해지는 인장력(tensile strain)과 압축력(compressive strain)에 의해서 저항값이 변하는 원리를 적용하여 스트레인 센서를 개발하였다. 실험 결과를 통해 개발된 스트레인 센서는 매우 민감하여 작은 인장력과 압축력의 검출이 가능하고, 내구성이 강하여 인장력과 압축력에 의한 반복적인 1000회 이상의 변형에도 센서의 특성이 유지되는 것을 보고하였다. 

차세대 4차 산업혁명의 사물인터넷(Internet-of-Things, IoT) 기술을 위해서는 스트레인 센서의 개발이 필수적이다. 민감한 스트레인 센서는 인체의 동작 및 표정, 심박수 및 맥박수도 검출할 수 있고, 더 나아가 소리인식 및 발성인식에도 적용될 수 있다. 이러한 응용을 위해서는 투명하고, 유연하고, 민감도가 높은 스트레인 센서의 개발이 필요하기 때문에 이를 위한 필수적인 기반을 마련하였다는 데에 큰 의의가 있다.

연구 결과는 미국 화학회에서 발간하는 재료과학 분야 상위 10% 이내 SCI 학술지인 ACS Applied Materials & Interfaces에 게재될 예정이며(논문명: Transparent, flexible strain sensor based on a solution-processed carbon nanotube network, 교신저자: 최성진 교수), 이번 연구 성과는 한국연구재단의 선도연구센터지원사업(ERC)와 중견연구사업의 지원으로 수행되었다. 

개발된 투명하고, 유연한 탄소나노튜브 스트레인 센서

 

탄소나노튜브 스트레인 센서를 이용한 인간의 동작 및 표정 검출