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박인규 교수, 헬스 모니터링용 고감도 유연 압력센서 개발
우리 대학 기계공학과 박인규 교수 연구팀에서 생체 신호 및 신체 압력 모니터링에 활용이 가능한 액체 금속 기반 웨어러블 유연 압력 센서를 개발했다.
이 기술을 통해 맥박, 혈압 등 다양한 중요 생체 신호를 연속적으로 모니터링하고 욕창과 같은 압력으로 인해 비롯한 여러 질병을 예방할 수 있는 시스템으로 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
김규영 박사과정이 1저자, 오용석 연구교수가 공동 교신저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 ‘어드밴스트 헬스케어 머터리얼스(Advanced Healthcare Materials)’11월 21일자 표지논문에 게재됐다. (논문명: Highly Sensitive and Wearable Liquid Metal‐Based Pressure Sensor for Health Monitoring Applications: Integration of a 3D‐Printed Microbump Array with the Microchannel)
최근 헬스케어에 대한 관심이 커짐에 따라 웨어러블 유연 센서 개발이 활발히 진행되고 있다. 기능성 소재를 기반으로 다양한 고감도의 유연 센서가 많이 개발되고 있지만, 기존 고체 소재 기반 센서는 웨어러블 디바이스로 활용되기에 신축성, 신호 반복성 및 안정성 측면에서 한계를 보인다.
이러한 점을 보완하기 위해 현재 액체 소재 기반 유연 센서가 다양하게 개발되고 있다. 액체 전극 중에서도 특히 갈린스탄(Galinstan)과 같은 액체 금속은 신축성에 제한이 없으며, 무독성, 높은 전기 전도도, 전기/기계적 안정성 등의 특징으로 신축성 소자 및 웨어러블 디바이스 요소로써 활용도가 매우 높다.
하지만 기존의 액체 금속 기반 유연 압력 센서는 안정적이지만 매우 감도가 낮아 맥박이나 신체 압력 모니터링과 같은 수 kPa 수준의 작은 범위의 압력 측정에 활용하기 어려웠다.
이번 연구에서는 다중물질 3D 프린팅 기술을 활용해 단단한 마이크로 범프 구조물을 액체 금속 채널에 배치하여 작은 압력에도 신호 변화가 크게 나타날 수 있는 구조를 개발했다. 이러한 구조를 통해 마이크로 범프가 없는 일반 액체 금속기반 압력 센서보다 6배 이상의 높은 감도를 얻고 고체 기반 유연 압력 센서 수준의 감도를 얻을 수 있었다.
또한, 개발된 유연 압력 센서는 1만 회 이상의 인장, 굽힘 등 다양한 물리 변형에도 안정적인 신호 회복을 보이고, 다양한 환경 요인(온도, 습도)에도 안정적인 감지 성능을 보여 웨어러블 디바이스로써 활용될 수 있는 큰 가능성을 보였다.
연구팀은 이러한 성능을 바탕으로 평상시와 운동 시의 맥박, 혈압을 측정하여 그 변화를 연속적으로 감지해 건강 상태를 모니터링할 수 있음을 확인했다.
센서가 부착된 양말과 무선 통신 시스템을 구축하여 누워있는 사람의 다양한 자세 변화 도중 나타나는 신체 압력 및 그 변화를 원격으로 모니터링할 수 있었다.
박인규 교수는 “개발한 고감도 및 고신뢰성 액체 금속기반 유연 압력 센서를 통해 다양한 생체 건강 정보를 연속적으로 수집할 수 있었다. 이를 이용하여 다양한 헬스 케어/헬스 모니터링 어플리케이션, 특히 욕창과 같이 압력으로 인해 나타나는 다양한 질병 관리 및 예방 분야에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.”라고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단의 중견 연구 과제(올인원 스마트 스킨을 위한 웨어러블 멀티센서 시스템 핵심기술 연구)와 선도연구센터지원 사업 (초정밀 광 기계기술 연구센터)의 지원을 통해 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. Advanced Healthcare Materials 표지
그림2. 마이크로 범프가 집적된 액체 금속 기반 유연 압력 센서
그림3. 높은 감도와 안정적 성능의 유연 센서 및 신체 압력 측정 어플리케이션
2019.12.11 조회수 12476 -
김일두 교수, 3D 프린팅 통한 맞춤형 디자인 배터리 제작
〈 왼쪽부터 안복엽 박사, 김찬훈 박사, 김일두 교수, 제니퍼 루이스 교수 〉
우리 대학 신소재공학과 김일두 교수 연구팀이 미국 하버드 공과대학 제니퍼 루이스(Jennifer A. Lewis) 교수와의 공동 연구를 통해 배터리 디자인의 자유도를 획기적으로 높일 수 있는 기술 개발에 성공했다.
KAIST-하버드 공동 연구팀은 3D 프린팅 기술을 이용해 배터리의 형상을 반지 모양, 대문자 알파벳 H, U 등의 글자 모양을 포함해 원하는 구조로 자유롭게 제조하는 데 성공했다. 또한 한국화학연구원 최영민 박사 연구팀과의 공동 연구를 통해 소형 인체 착용형 광센서 반지에 3D 프린팅 배터리를 적용했다.
신소재공학과 김찬훈 박사, 하버드 공과대학 안복엽 박사가 공동 1 저자로 참여한 이번 연구는 재료 분야의 국제 학술지 ‘에이씨에스 나노(ACS Nano)’ 12월호에 게재됐다.
현재 사용되는 배터리 형상은 코인셀 또는 파우치셀 제작에 최적화된 원형 또는 사각형 구조로 제한돼 있다. 각기 다른 디자인을 갖는 소형 전자소자의 경우 배터리 저장장치가 부피 대부분을 차지하기 때문에 효율적인 공간 활용을 위해서는 배터리의 형상을 자유자재로 바꾸는 기술이 필요하다.
연구팀은 자유로운 디자인을 갖는 배터리를 만들기 위해 친환경 물 기반 아연 이차전지(Zn-Ion battery) 시스템을 도입했다. 리튬이온 대신 아연이온(Zn2+)을 전하 운반체로 사용하는 이 시스템은 물을 전해질의 일부로 사용하기 때문에 높은 인화성의 유기용매를 전해질로 사용하는 기존 리튬 이차전지보다 안전하다.
유기용매는 수분 및 산소에 노출될 경우 배터리 열화의 원인이 돼 리튬 이차전지의 제조 공정을 어렵게 하는 요인 중 하나이다. 연구팀이 도입한 수계 아연 이차전지는 대기 중의 수분 및 산소에 안정적이기 때문에 보다 간편한 대기 공정 조건에서 제조할 수 있다.
특히 3D 프린터를 이용한 플라스틱 패키징 적용에도 물은 플라스틱 패키징을 녹이지 않아 보다 간편하게 패키징이 가능한 장점이 있다.
연구팀은 자유로운 형태로 재단이 간편하고 고속 충, 방전이 가능하도록 양극을 설계하기 위해서 전기방사 기술을 이용해 탄소섬유(Carbon fiber) 전류집전체를 제조했다.
이후 전기화학적 활성이 높은 폴리아닐린 전도성 고분자를 탄소섬유 표면에 매우 균일하게 코팅해 전류집전체 일체형 양극을 제조했다.
3D 구조를 갖는 얇은 섬유로 이루어진 폴리아닐린 기반 양극은 2분 동안 50%를 충전하는 매우 빠른 충전 속도를 보였고, 활물질의 손실 없이 쉽게 재단할 수 있어 이를 기반으로 다양한 형태의 배터리 제작이 가능할 것으로 기대된다.
김 교수는 “수용성 전해질을 이용하는 아연 이차전지는 일반 대기 환경에서 배터리 패키징 조립을 할 수 있어 3D 프린팅을 활용하면 고객 요구에 맞는 맞춤형 배터리 팩을 손쉽게 제작할 수 있다”라며 “초소형 마이크로 로봇의 외형에 잘 맞는 전력 장치나 특이한 디자인의 소형 전자소자의 저장장치로 응용 가능성이 높다”라고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단 글로벌연구실 및 웨어러블 플랫폼센터의 지원을 받아 수행됐다.
한편 김일두 교수는 이번 12월부터 연구가 게재된 ‘에이씨에스 나노(ACS Nano)’ 부편집장(Associate Editor)으로 선임이 돼 투고 논문의 심사 여부를 판단하고 심사자(reviewer) 선정 및 게재 승인 여부를 결정하게 된다.
미국과 유럽, 중국이 과학기술을 선도하는 환경에서 40대의 나이에 권위학술지의 부편집장 선임은 대한민국의 과학발전이 세계적으로도 인정받고 있음을 보여주는 결과이다.
김 교수는 “2018년도 13.709의 피인용지수와 134,596회에 달하는 인용횟수를 갖는 세계적인 권위의 학술지 에이씨에스 나노 부편집장으로 선임돼 영광이다”라며 “에너지 및 센서 분야에 투고된 논문들에 대한 에디터 활동을 통해 KAIST의 위상을 높이고, 대한민국 과학기술의 저변 확대와 세계적인 연구팀들과의 국제협력 기회를 더욱 만드는데 공헌하고 싶다”고 말했다.
□ 그림 설명
그림1. 3D 프린팅 기술을 이용한 자유형상 배터리 제조
그림2. 3D 프린팅 방법으로 제조된 자유형상 배터리 및 응용
2018.12.19 조회수 9340 -
스타트업 4.0 / 2017 아이디어 팩토리 제품전시회, 25일 개최
‘아이디어 팩토리(Idea Factory)’는 대학생들의 신선하고도 기발한 아이디어가 창업으로 이어질 수 있게 시제품 제작을 지원하는 제도이다. 국내대학 중 우리대학이 지난 2014년 이 제도를 처음으로 도입, 운영 하고 있는 만큼 우리대학의 아이디어 팩토리는 자타공인 ‘국내 1호 아이디어 팩토리’인 셈이다. 올 4월 현재 전국의 10개 대학에서 아이디어 팩토리를 운영 중이다.
우리대학을 비롯해 전남대·경일대·경남대·한국해양대·단국대 등 전국 6개 대학 학생들이 톡톡 튀는 아이디어를 내 개발한 시제품을 한자리에서 모두 볼 수 있는 전시회가 대전에서 열린다. 우리대학은 25일 오전 10시부터 대전 본교 스타트업 스튜디오빌딩(W8) 로비에서 KAIST 창업원(원장 김병윤) 주관으로 주요 내· 외빈 인사가 참석한 가운데 ‘스타트업 4.0 / 2017 아이디어 팩토리 제품 전시회’를 개최한다.
올해로 4회째를 맞는 이번 전시회에는 우리대학에서 6개, 전남대와 경일대·경남대·단국대에서 각각 5개, 그리고 한국해양대가 4개의 시제품을 출품하는 등 6개 대학에서 주목을 받았던 시제품 30종이 전시된다. 우리대학이 이번 전시회에 출품한 ▲시각장애인을 위한 점자프린터 ▲멀티 헤드 3D 프린터 ▲아이 시터(Eye Sitter) 등 총 6종의 시제품 가운데 단연 눈에 띠는 제품은 3D 프린팅 교육 콘텐츠인 ‘놀이동산 속 과학 찾기’다.
‘놀이동산 속 과학 찾기’는 우리 대학의 학생 창업기업인 HiX(대표 서석현)가 자체 개발한 블록 기반의 3D 설계 프로그램을 이용해 제작한 중등 교육용 콘텐츠다. 과학 원리를 활용한 교육 및 자기주도 학습이 가능하다는 장점 때문에 기존 경쟁업체 제품과의 차별화가 확연하다. 현재 경기지역 일부학교와 캠프에서 시범 운영 중이며 타 지역에서도 판매권에 대한 논의가 진행 중에 있다. 이와 함께 16개의 헤드를 한 번에 제어해서 출력할 수 있는 ‘멀티 헤드 3D 프린터’또한 3D 프린터의 한계점으로 여겨지는 대량생산에 대한 문제를 해결하기 위한 학생들의 아이디어가 돋보이는 제품이다. 우리대학은 이번 출품작 중 몇몇 제품은 사업화가 바로 가능하기 때문에 곧 상용화될 것으로 내심 큰 기대를 걸고 있다.
이밖에 ▲ 시각장애인을 위해 스스로 학습·복습이 가능한 점자학습장치 ‘PUSH DOT(전남대)’와 ▲ 섬유강화 복합제를 이용해 개발한 ‘도시형 자전거 휠(한국해양대)’▲ 반려견의 짖는 소리로 인해 발생하는 소음을 줄여주는 ‘반려견 짖음 방지 목걸이(경일대)’▲ 재활용 쓰레기를 쓰레기통 모양으로 인식한 후 분리시켜 버릴 수 있도록 한 ‘디자인 분리 쓰레기 통(경남대)’▲ 자체개발한 웹크롤링 기술을 이용해서 뉴스뿐만 아니라 SNS 데이터를 일괄 수집·분석해 여론 서비스를 제공하는 ‘인사이트 아이(단국대)’등 참신하면서도 다양한 제품을 만날 수 있다.
이번 행사를 주관한 김병윤 창업원장은 “제품 전시회를 통해 전국의 대학생들에게 아이디어만 있으면 누구나 창업에 도전할 수 있다는 자신감을 갖게 하는 창업문화가 확산되고 창업을 원하는 학생들 간에 정보를 교환하고 나누는 교류의 장이 됐으면 한다”고 말했다. 한편 우리대학 창업원이 운영 중인 아이디어 팩토리는 2014년 출범이후 지난 4년간 60건 이상의 시제품 개발을 지원하고 교육용 3D 프린터 등 기술창업 3건, 기술이전 1건의 성과를 거두는 등 학생들의 창의적 아이디어를 대상으로 신속한 사업화 지원을 통해 혁신적인 제품개발 촉진과 창업활동을 지원하고 있다.
2017.04.24 조회수 12914