박장웅 교수팀 "체중분포 측정해 생활패턴 분석하는 스마트운동화 제작 가능"

(울산=연합뉴스) 장영은 기자 = 손가락이 스치는 가벼운 힘부터 사람 몸무게로 누르는 큰 압력까지 감별할 수 있는 3차원 압력센서가 개발됐다.

울산과학기술원(UNIST) 신소재공학부 박장웅 교수팀은 공기를 유전층으로 이용하는 트랜지스터로 압력센서를 만드는 기술을 개발했다고 3일 밝혔다.

울산과기원 3차원 압력센서 개발(울산=연합뉴스) 장영은 기자 = 3차원 압력센서를 개발한 울산과학기술원 연구진. 왼쪽부터 안병완 연구원, 지상윤 연구원, 박장웅 교수, 김주희 연구원, 박지훈 연구원.2017.4.3 [울산과기원 제공=연합뉴스]

전기신호를 증폭시키는 트랜지스터라는 소자를 이루는 유전층으로 공기를 사용한 것이다.

유전층은 전기장 안에서 극성을 지니는 절연체로 전하가 통과하지 않지만 전류를 흘렸을 때 양전하와 음전하로 분리되면서 극성을 띠는 특징이 있다.

박장웅 교수는 "공기를 트랜지스터의 유전층으로 사용하면 유전층이 그래핀을 깨끗하게 감싸기 때문에 트랜지스터 성능이 크게 향상된다"며 "압력에 따라 공기 유전층 두께가 달라지는 점을 이용하면 압력을 효과적으로 감지할 수 있다"고 설명했다.

3차원 압력센서(울산=연합뉴스) 장영은 기자 = 울산과학기술원(UNIST) 신소재공학부 박장웅 교수팀은 공기를 유전층으로 이용하는 트랜지스터로 압력센서를 만드는 기술을 개발했다.그래핀과 공기 유전층을 이용한 .2017.4.3 [울산과기원 제공=연합뉴스]

화면을 누르는 터치패널은 대부분 접촉 시 발생하는 정전기를 이용한다. 이 경우 누르는 위치는 감지하지만 압력세기까지 알아내기는 어렵다.

박 교수팀이 개발한 트랜지스터는 이런 한계를 극복하고, 압력이 발생한 좌표(x, y축)와 세기(z축)까지 3차원으로 감지할 수 있다.

연구진은 반으로 접을 수 있는 기판 한쪽에 그래핀 채널, 금속 나노와이어 전극, 공기를 가둘 수 있는 탄성체를 배치했다. 반대쪽은 뚜껑처럼 덮어서 공기를 가뒀다.

이렇게 만들어진 트랜지스터는 누를 때마다 공기 유전층의 두께가 달라지면서 압력을 측정할 수 있는 센서가 됐다.

공기층이 유전층이 돼 넓은 범위의 압력 위치와 세기를 감지할 수 있는 것이다.

또 트랜지스터 자체가 압력센서로 바로 응용돼 제작 비용도 저렴해진다.

이 기술은 특히, 능동 구동형(active-matrix) 압력센서 구현이 가능해 주목받고 있다. 능동 구동이란 전체가 아닌 압력을 주는 부분만 전기를 흘려서 신호를 측정하는 방식이다.

전체 면적에 전류를 흘리고 압력 신호를 살피는 수동 구동형보다 전력 소모도 적고 반응 속도도 빠르다.

또 공정에 사용된 기판과 채널, 전극배선 물질은 모두 투명하므로 눈에 보이지 않는 압력센서도 만들 수 있다.

3차원 압력센서의 펼친 모습(울산=연합뉴스) 장영은 기자 = 울산과학기술원(UNIST) 신소재공학부 박장웅 교수팀은 공기를 유전층으로 이용하는 트랜지스터로 압력센서를 만드는 기술을 개발했다.그래핀과 공기 유전층을 이용한 .2017.4.3 [울산과기원 제공=연합뉴스]

공동 제1 저자인 지상윤 UNIST 신소재공학부 석·박사통합과정 연구원은 "손가락으로 가볍게 치는 정도의 낮은 압력(10kPa 이하)부터 사람 체중을 싣는 높은 압력(2MPa 이상)을 동시에 측정할 수 있는 점이 큰 특징"이라며 "3차원 터치패널이나 사람의 체중 분포를 측정해 생활 패턴을 분석할 수 있는 스마트 운동화 등을 제작할 수 있을 것"이라고 말했다.

박 교수는 "이번 연구는 기존 압력센서의 한계점을 해결했을 뿐만 아니라, 디스플레이 같은 다른 전자소자와 압력센서를 결합해 다양한 분야에 적용할 수 있는 가능성을 제시했다"며 "차세대 전자소자에 한 걸음 더 내디딜 수 있는 연구"라고 밝혔다.

연구결과는 세계 최고 권위지 네이처의 자매지인 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 최신호에 게재됐다.

young@yna.co.kr

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