3차원 압력센서 개발…스마트 운동화 등에 응용

유니스트 연구팀, 관련 논문 내놓아

▲3차원 압력 센서의 펼친 모습.[사진제공=UNIST]

[아시아경제 정종오 기자] 어디를 얼마나 세게 눌렀는지 알려주는 '3차원 압력 센서'가 개발됐다. 손가락이 스치는 가벼운 힘부터 사람 몸무게로 누르는 큰 압력까지 하나의 센서로 파악이 가능하다. 운동선수 발의 압력 분포를 측정해 행동 패턴을 분석할 수 있는 스마트 운동화 등에 응용될 수 있다.

유니스트(UNIST, 총장 정무영) 신소재공학부의 박장웅 교수팀은 공기를 이용해 압력 센서를 만드는 기술을 내놓았다. 전기신호를 증폭시키는 트랜지스터라는 소자를 이루는 유전층으로 공기를 사용했다. 유전층에 들어가는 물질은 전기가 통하지 않는데 양전하와 음전하를 나눠 배열시키는 성질이 있다. 이번에 개발한 센서는 그래핀과 공기를 이용하는 방식으로 압력 센서에 적합한 구조를 이뤘다. 일반적 트랜지스터는 실리콘과 유리 계열의 유전체가 이용된다. 불투명한 물질인 실리콘으로는 투명한 센서를 만들기 어렵고 유리 계열의 유전체는 딱딱한 고체라 누르는 힘을 감지하는 센서에 적당하지 않다. 연구팀은 투명하고 전기전도성이 높은 그래핀과 공기 유전체를 이용하기로 했다.

박장웅 교수는 "공기를 트랜지스터의 유전층으로 사용하면 유전층이 그래핀를 깨끗하게 감싸는 효과를 가져오기 때문에 트랜지스터의 성능이 크게 높아진다"며 "가해준 압력에 따라 공기층의 두께가 달라지는 점을 이용하면 압력을 효과적으로 감지할 수 있다"고 설명했다.

화면을 누르는 터치 패널은 대부분 접촉할 때 발생하는 정전기를 이용한다. 이 경우 누르는 위치는 감지하는데 압력 세기까지 알아내기는 어렵다. 박 교수팀이 개발한 트랜지스터는 이런 한계를 극복하고 압력이 발생한 좌표(x, y축)와 세기(z축)까지 3차원으로 감지할 수 있다. 이는 압력에 따라 두께가 변하는 공기층을 사용한 트랜지스터가 압력 센서로 바로 응용될 수 있기 때문이다. 이번 기술은 능동구동형(active-matrix) 압력 센서 구현으로도 주목받고 있다. 압력이 발생한 위치에만 전기를 흘려 신호를 주고받는 게 가능하기 때문이다. 전면에 전류를 흘리고 압력 신호를 살피는 수동구동형에 비해 전력 소모도 적고 반응 속도도 빠르다. 이번 공정에 사용된 기판과 채널, 전극배선 물질은 모두 투명하기 때문에 눈에 보이지 않는 압력 센서로도 제작할 수 있다.

3차원 터치 패널이나 사람의 체중 분포를 측정해 생활 패턴을 분석할 수 있는 '스마트 운동화' 등에 응용될 수 있다. 박 교수는 "이번 연구는 기존의 압력 센서의 한계점을 해결했을 뿐 아니라 디스플레이 같은 다른 전자소자와 압력 센서를 결합시켜 다양한 분야에 적용할 수 있는 가능성을 제시했다"고 말했다.

연구결과는 국제학술지인 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 최신호(논문명: Integrated arrays of air-dielectric graphene transistors as transparent, active-matrix pressure sensors for wide pressure ranges)에 실렸다.

정종오 기자 ikokid@asiae.co.kr