UNIST 연구진이 피부에 부착해 체온과 맥박, 기침 등 미세한 생체 신호를 동시에 감지할 수 있는 고감도 맥신 기반 센서 소재를 개발했다. 온도와 압력 변화를 함께 읽어낼 수 있어 웨어러블 헬스케어와 전자피부, 인간-기계 인터페이스 분야 활용 가능성이 제시됐다.

UNIST 반도체소재부품대학원 김수현·권순용 교수 연구팀은 11일 온도와 압력 변화를 모두 감지할 수 있는 티타늄 탄질화물 기반 맥신 소재를 개발했다고 밝혔다.

맥신은 금속과 탄소 또는 질소가 층상 구조로 결합한 나노 소재다. 두께가 얇고 유연하며 전기전도성이 높아 웨어러블 기기와 헬스케어 센서 소재로 연구돼 왔다.

연구팀이 개발한 소재는 질소가 포함된 티타늄 탄질화물 맥신이다. 기존 탄화물 기반 맥신과 비교해 온도 변화에 대한 민감도는 약 3배, 압력 자극에 대한 민감도는 4배 이상 높아졌다. 작은 자극에도 전기저항 변화가 크게 나타나 생체 신호를 보다 뚜렷한 전기 신호로 변환할 수 있다는 설명이다.

성능 향상은 질소 농도 조절을 통해 이뤄졌다. 연구팀은 최적의 질소 농도를 찾아 전자 밀도와 격자 진동 특성을 조절했고, 이를 통해 외부 자극에 대한 반응성을 높였다. 해당 원리는 밀도함수이론 계산과 방사광 기반 엑스선 흡수 미세 구조 분석으로 확인됐다.

실험에서는 센서를 목 부위에 부착해 말하기, 침 삼키기, 기침에 따른 성대의 미세한 움직임을 구분했다. 눈가에서는 눈 깜박임을, 손목에서는 맥박 파형을 실시간으로 측정했으며, 신발 뒤꿈치에 부착해 보행 패턴을 분석하는 것도 가능했다.

비접촉 온도 감지 성능도 확인됐다. 센서는 1~2mm 떨어진 거리에서 스마트폰 카메라 플래시의 적외선 열을 감지했고, 손가락이 직접 닿지 않은 상태에서도 접근에 따른 온도 변화를 인식했다.

김수현 교수는 이번 연구가 온도와 압력을 동시에 정밀하게 감지하면서 신호 간 간섭을 제어할 수 있다는 점에서 차세대 인간-기계 인터페이스와 지능형 로봇 전자피부 기술로 이어질 수 있다고 설명했다. 또 헬스케어뿐 아니라 에너지 저장, 촉매, 전자기파 차폐 등 첨단 나노소재 분야로 응용 범위를 넓힐 수 있다고 말했다.

이번 연구 성과는 재료과학 분야 학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈’에 4월 12일 온라인 공개됐다. 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단과 이노코어 사업의 지원으로 수행됐다.