한창수 교수팀, 인체 피부 감각기관을 닮은 신개념 압력센서 개발
디스플레이, 의료, 연료전지, 각종 센서 제작 등 다양한 분야에 응용가능

“기존의 센서에서 발견되는 여러 가지 문제점에 대해 고민하고 생각하던 중, 생체에서 발현되는 다양한 외부 힘에 대해서 미묘하면서도 정확하고 안정적인 반응을 보면서 이를 모방하거나 모사하면 새로운 패러다임의 센서를 개발할 수 있지 않을까 하는 기대로 연구를 시작하였다.”

‘인체 피부 감각기관’을 세포수준까지 심층적으로 모사하여 압력강도에 따라 저전력 또는 무전원으로 작동하는 초고감도 소프트 압력센서를 개발한 고려대 한창수 교수팀은 연구 배경에 대해 이렇게 설명했다. 

미래창조과학부와 글로벌프런티어 나노기반소프트일렉트로닉스 연구단(단장 조길원) 지원으로 진행된 이 연구는 기존의 전기회로 방식의 압력센서와 달리 이온채널 기반 압력센서이기 때문에  전기회로나 다른 부수적인 장치가 필요하지 않으며 특히 낮은 구동전력 혹은 무전원으로 이를 작동시킬 수 있다. 
이 기술의 핵심인 이온채널 센서는 인체 감각기관 생체 세포의 메커니즘을 모방한 인공센서로 ▲ 이온 액체의 운동에너지를 활용, 많은 에너지원이 필요하지 않아(저전력 또는 무전원) 반영구적으로 사용가능하며 ▲전자회로, 증폭기 등 전자소자가 많이 필요하지 않고 ▲유연성을 가져 인체의 곡면 부위와 다양한 형상에서도 압력 검출이 가능한 신개념의 웨어러블 압력소자이다. 
   
이온채널(ion channel)은 세포막에 있는 기공 형태의 단백질(protein)로서 이온이나 물분자를 세포 내외부로 이송하는 역할을 한다. 인체 감각기관도 자극을 받아들이는 부분과 이온채널이 결합된 구조로 되어 있으며, 이온채널에서 이온이 움직일 때 발생하는 신호를 신경을 통해 뇌가 인지하게 된다.  


▲이 센서를 이용해 실시간으로 인체 혈압을 모니터링 하는 모습

이번 연구를 통해 감각기관의 세포막 이온채널 시스템까지 모방한 압력센서 구현으로 수용기, 전해질, 이온채널의 세가지 요소를 적절하게 구성하여 디자인하면 매우 다양한 모션과 광범위한 압력 범위에서 고감도의 압력 센싱이 가능하게 되었다. 따라서 압력센싱 뿐만 아니라 다양한 외부자극에 있어 이러한 이온채널 시스템을 기반으로 하는 센서를 개발하는 것은 새로운 개념의 다양한 센서를 창출하는 원천 기술이 될 것이라고 연구단은 밝혔다.

또한 인공 이온채널 시스템은 센서뿐만 아니라 이온발전기, 이온전지, 연료전지용 전해질 막 등으로의 활용 및 국가의 그린 에너지 육성정책과 부합하여 관련 산업에도 큰 파급효과를 줄 것으로 보이며, 특히 바이오분야와 나노분야, 기계, 전자 등 다양한 분야의 융합 학문이 필요한 부분이므로 새로운 형태의 융합된 학문을 창출하는데 기여할 것으로 기대된다. 

센서분야에서는 특히 노약자나 장애를 가지고 있는 많은 사람들에게 부가적인 장치 혹은 대체 장치로서 활용이 가능할 것으로 보이며, 이를 위한 핵심요소기술로 활용될 수 있을 것이다. 또한 열, 유동, 압력, 중량, 냄새 등 다양한 센서에 대해 매우 성능이 우수하고 선택성이 높은 새로운 형태의 센서를 제공하고, 이를 소형화하고 고감도화 할 수 있는 신개념 센서의 창출에 기여함과 동시에 센서를 구현하기 위한 다양하고 복합적인 감각정보들을 동시에 측정할 수 있는 기술을 개발함으로써 유비쿼터스에 부합하는 센서 네트워크을 구현하는데도 중요한 역할을 할 것으로 기대한다.

미래부 및 연구관계자는 “이번 연구는 기존의 개념과 전혀 다른 새로운 형태의 센서로서 IoT를 포함하여 소모 전력이 문제가 되는 기계, 전자, 에너지, 환경 등 다양한 산업분야에 적용이 가능하며, 동물의 감각기관을 모사한 센서 개발 등 새로운 개념의 다양한 센서를 창출하는 핵심원천기술이 될 것으로 기대 된다”며 연구의 의의를 설명했다. 

한창수 교수 연구팀 (고려대)은 미래창조과학부 글로벌프론티어사업 소프트일렉트로닉스연구단 지원으로 연구를 수행하고 있으며, 이 연구는 세계적인 권위의 나노분야 학술지인 ACS 나노(ACS Nano)지 4월 12일자에 온라인 게재되었다.