국민대학교 전자공학부 반도체 소자 및 집적회로 연구실(S!LK, 김동명 교수, 김대환 교수, 최성진 교수 공동 연구실)의 윤진수 박사과정 (공동 제1저자), 최봉식 박사과정 (공동 제1저자) 학생이 3D 프린터를 이용하여 생체신호 측정용 압력센서(pressure sensor)를 개발하였다. (교신저자: 최성진 교수)

윤진수 학생과 최봉식 학생은 상용화되어 있는 3D 프린터를 이용하여 공극(pore)이 포함되어 있는 절연체와 전도성 열가소성 수지 (conductive thermoplastic) 전극을 차례대로 쌓아 올리는 매우 간단한 방식으로 압력센서를 제작하였다. 제작된 압력센서는 콘덴서(capacitor) 구조로서 압력에 대해서 정전용량(capacitance)가 변화를 검출하는 원리로 동작한다. 공극을 가지고 있는 절연체로 인해 인가되는 압력에 대해서 매우 민감하게 정전용량이 변하며, 이로 인해 미세한 압력까지 검출할 수 있다.

최근 들어 인간의 헬스케어 모니터링(healthcare monitoring)을 위해 생체신호를 검출하는 센서로 압력센서를 응용하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 이를 위해서는 매우 미세한 압력의 변화를 검출할 수 있는 압력센서가 필요하다. 또한 전자피부(electronic skin)로의 응용을 위해서 대면적에 제작될 수 있는 압력센서 기술이 필요하다. 기존에 보고된 정전용량 타입의 압력센서들은 복잡한 공정을 필요로 하고, 민감도가 낮으며, 대면적에 제작되기 어려운 단점이 있다. 

윤진수 학생과 최봉식 학생은 이러한 단점들을 해결하기 위해서 4차 산업혁명의 혁신 기술인 3D 프린터를 이용해 압력센서를 제작하였으며, 이로 인해 매우 간단한 방식으로 대면적 압력센서의 제작이 가능하게 되었다. 

민감도를 높이기 위해 공극이 포함되어 있는 절연체를 3D 프린터로 제작하고, 전도성 열가소성 수지 전극 역시 3D 프린터로 제작함으로서 한번의 공정으로 압력센서의 제작이 가능하다. 또한 공극률(porosity)도 프린팅 과정 중 자유롭게 조절이 가능하여 검출하고자 하는 압력 레벨에 따라 최적화 되어 있는 공극률을 얻을 수 있는 결과를 얻었다. 개발된 압력센서를 인간의 맥박을 측정하는 데에 사용하였으며, 맥박 검출 과정 중 획득된 데이터를 분석하여 인간의 건강상태를 모니터링할 수 있는 기술을 보였다는 데에 큰 의의가 있다. 

연구 결과는 12월 2일 미국 샌프란시스코에서 열리는 2017 IEDM (International Electron Devices Meeting)에서 논문으로 선정되어 발표될 예정이다. (논문명: Monolithically 3D-Printed Pressure Sensors for Application in Electronic Skin and Healthcare Monitoring) IEDM 학회는 반도체 분야 세계 최고 권위학회로서 학회에 발표되는 논문 수가 그 국가의 반도체 기술 수준을 평가하는 지표가 되기도 할 정도로 정예의 소수의 논문 발표되는 엄중한 학회이다. 

이번 연구 성과는 한국연구재단의 선도연구센터지원사업(ERC)와 중견연구사업의 지원으로 수행되었다.  
 

<3D 프린터를 이용한 압력센서 제작>
 

<제작된 압력센서>

 

<제작된 압력센서를 이용한 생체 신호(맥박) 측정>