| 닝보재료기술공정연구소, 유연성 웨어러블 전자피부 연구에서 일련의 성과 취득 | ||
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 중국과학원 닝보(寧波)재료기술공정연구소 천타오(陳濤) 연구팀은 시리즈화 탄소재료 기반 고분자 복합시스템 개발에서 단계적 성과를 거두었다. 이러한 고분자 탄소 기반 복합시스템은 유연성 웨어러블 센싱장치에 중요한 재료 기반을 마련하였다. 전자피부는 압력, 온도, 화학 등 자극을 포함한 외계환경에 대한 인체 피부의 감지를 모방할 수 있기에 인공지능 및 의료진단 등 분야에 광범위하게 응용된다. 최근 전자피부 관련 연구는 큰 발전을 이루었지만 센싱소재의 응답 민감도가 부족하고 안정성과 간섭방지 능력이 부족하며 센싱 범위가 좁은 등 문제점이 존재한다. 상기 문제 해결에 있어 양호한 성능의 활성재료 및 합리하게 설계된 장치 구조를 채택하는 것이 관건이다. 탄소나노튜브, 그래핀 등과 같은 탄소나노재료는 물리, 화학, 전기적 성능이 우수하기에 고성능 유연성 센서 제조에 가장 보편적으로 사용되는 활성재료로 되고 있다. 하지만 탄소재료 자체가 탄성이 없기에 유연성 장치 구축시 흔히 유연한 탄성 고분자를 복합시킴과 동시에 최대한 고유성능을 유지시켜야 한다. 따라서 탄소 기반 재료와 고분자를 효과적으로 복합시키는 방법을 찾는 것이 고성능 유연성 웨어러블 장치 개발에서 매우 중요하다. 생명시스템 모방은 고효율적 센싱장치 설계에 도움이 된다. 예를 들어 물분자는 인체의 대부분 대사 과정에서 매우 필수적이다. 인체 피부 표면 및 내쉰 공기 주변의 물분자 함량 및 분포에 대한 실시간 모니터링을 통해 개체의 생리·심리 정보를 획득할 수 있다. 최근에 연구팀은 폴리도파민/그래핀 나노헤테로접합(Heterojunction)에 기반한 유연성 생체모방 감습재료(Humidity-Sensitive Material)를 개발하였다. 해당 재료는 자기조립을 통해 전극 사이에서 규칙적인 층상 2차원 구조막을 형성한다. 또한 폴리도파민량 조절을 통해 0.7~1.4nm 범위에서 층간 거리를 정밀하게 제어할 수 있다. 그 속에 존재하는 나노급 기공 구조는 물분자 쾌속 수송을 돕기에 동역학적 차원에서 장치의 쾌속 응답 및 답신을 담보한다. 뿐만 아니라 층 사이의 폴리도파민 분자는 수소 결합을 통해 물분자를 빠르게 포획·방출하므로 열역학적 차원에서 장치의 쾌속 응답 및 답신을 담보한다. 연구팀은 해당 센서를 사용해 유연성 웨어러블 장치를 구축하였다. 동 장치는 비접촉 방식으로 호흡, 운동 심지어 거짓말 등 심리활동에 의해 발생하는 인체의 매우 미약한 습도 변동 정보를 모니터링할 수 있다. 고분자 탄소 기반 복합시스템 설계 특히 유연성 센서 응용에서 비대칭 복합은 고분자 및 탄소 기반 재료의 각자 성능 우위 발휘를 돕는다. 최근에 연구팀은 중국과학원 베이징나노에너지·시스템연구소 판차오펑(潘曹峰) 연구팀과 공동으로 그래핀 박막층이 물/공기 계면에서의 2차원 거시적 박막 조립을 이용하고 이로부터 획득한 그래핀막을 센싱층으로 사용해 마이크로나노 구조를 보유한 PDMS 탄성체와 비대칭 복합구조를 구성하였다. 그중 그래핀막 센싱층의 전기전도성 및 두께는 조립층수 제어를 통해 균형을 잡을 수 있다. 연구팀이 획득한 센서는 고민감도(1875.53kPa-1), 폭넓은 선형 검측범위(0-40kPa)와 양호한 안정성 및 신호대잡음비(78db)를 보유하였다. 해당 센싱시스템은 상용 웨어러블 맥박센서에 비해 많은 장점이 있다. 동 시스템은 양호한 유연성과 착용 쾌적성을 갖춘 외, 고정밀도와 신체 운동간섭 방지 등 장점을 보유한다. 특히 달리기나 자전거 타기 등 일상적 운동 과정에서 동맥 맥박신호 실시간적 검출을 달성해 맞춤형 진단에 응용될 전망이다. 정보출처 : http://www.cas.cn/syky/201902/t20190219_4679683.shtml |
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