경희대학교 기계공학과 최동휘, 김진균 교수 연구팀이 공동연구를 통해 3차원 압저항 센서를 개발했다. 이번 연구로 개발한 센서는 기존 압저항 센서 대비 450배나 향상된 감도를 보였다. 사진 왼쪽부터 경희대 기계공학과 감동익, 오형인 학생, 최동휘, 김진균 교수.

기계공학과 최동휘, 김진균 교수 연구팀, 공동연구로 기계적 좌굴 활용한 3차원 압저항 센서 개발
2차원 압저항 센서 대비 450배 향상된 감도 나타내

로봇 공학 및 웨어러블 기기 분야가 발전함에 따라 미세 자극을 감지하는 압저항 센서의 중요성도 함께 높아지고 있다. 압저항 센서의 감도 향상을 위해 소재 맞춤형 접근과 새로운 구조 도입 연구가 활발히 진행되고 있다. 이런 추세에 맞춰 기계공학과 최동휘 교수 연구팀과 김진균 교수 연구팀이 공동연구를 통해 3D 구조 형태의 압저항 센서를 개발했다. 연구팀이 개발한 3D 압저항 센서는 기존 2D 압저항 센서에 비해 450배 향상된 감도를 보였다. 이번 연구 결과는 국제 학술지 <Composite Structures (IF=6.603, JCR Mechanics 분야 상위 5.4%)>에 게재됐다.

고전역학 접목해 새로운 소재 합성 없이 감도 향상 이뤄
압저항 센서의 성능과 기능은 감도, 작동 범위, 감지 한계, 유연성 등 다양한 요인에 의해 결정된다. 이 중 전기적으로 측정된 양의 변화와 가해진 기계적 자극 사이의 비율로 정의되는 감도는 외부 자극을 감지하는 가장 주요한 특성이다. 최동휘 교수 연구팀은 기존 압저항 센서 연구에 많이 사용되는 전도성 입자-탄성체 기반 복합재에 기계적 좌굴(Buckling)을 활용해 압저항 센서를 개발했다.

좌굴은 고체 역학에서 길거나 얇은 구조물에 압축 하중을 가했을 때 구조물이 휘는 현상을 뜻한다. 일반적으로 구조물에 부정적인 영향을 미치기 때문에 공학자 대부분은 구조물에 좌굴이 발생하지 않도록 설계한다. 하지만 연구팀은 좌굴을 유발해 2차원 구조를 3차원 구조로 제작했다. 이를 통해 새로운 재료 합성 없이 3차원 구조 도입에 성공했고, 감도 향상까지 이뤄냈다. 최동휘 교수는 “개발한 센서는 기존 2차원 구조 센서에 비해 월등히 높은 감도를 보이고, 실험 결과 압력 이외의 기계적 자극을 감지할 수 있어 센서로서의 가능성을 입증했다”고 설명했다. 연구에 참여한 감동익 학생은 “이번 연구 결과는 고전역학 이론이 다양한 전자 소자 성능을 향상에 기여할 수 있다는 시사점을 제시해 의의를 가진다”고 부연했다.

좌굴을 활용해 새로운 형태의 3차원 구조를 제작한다는 아이디어는 감동익 학생에게는 새로운 자극이었다. 그는 “학부 시절 이론적으로만 접했던 좌굴을 이용해 새로운 형태의 구조를 제작한다는 사실이 신선함을 불러일으켰다. 신선함이 곧 흥미가 됐고 자연스럽게 연구로 이어졌다”며 연구 배경을 설명했다. 감동익 학생은 “좌굴 특성을 연구해보니 구조 중앙부가 하중에 민감하다는 사실을 확인했고, 이를 통해 구조를 센서 개발에 활용한다는 연구 방향을 잡을 수 있었다. 센서 구조를 역학적으로 분석해 감도 향상 원리와 연관 있는 변수를 탐구했다”고 말했다.

기계적 좌굴 기반 3차원 구조 제작 공정 및 기존 2차원 압저항 센서와 3차원 압저항 센서 간 감도 비교

로봇, 웨어러블 기기, 디지털 트윈 기반 센싱 어플리케이션 등 범용적인 활용 전망
좌굴 기반 3차원 구조를 제작하기 위해선 압축력을 전달하는 탄성체를 늘리는 장치가 요구된다. 연구를 진행하며 감동익 학생이 장치를 직접 설계하고 가공했는데, 그는 이때를 떠올리며 “학부 시절 지도교수님께 배웠던 ‘기계요소설계’, ‘그래픽 및 공학설계’ 수업이 큰 도움이 됐다”며 “학부 지식을 연구에 실제 적용하며 이론의 중요성을 다시금 깨달았다”고 말했다. 이어 “2년간 진행한 연구를 무사히 마쳐 감사하고, 함께 협업한 오승인 학생에게도 감사를 전한다”며 연구를 마친 소감을 공유했다.

개발한 센서는 신산업으로 주목받는 로봇뿐만 아니라, 웨어러블 기기, 가상 스트레스 모니터링 등 다양한 응용 분야에 접목할 수 있다. 또한 구조물의 안정성을 실시간으로 모니터링하는 디지털 트윈(Digital Twin) 기반의 가상 센싱 어플리케이션에도 활용할 수 있어 신산업 개척에 활용될 전망이다.

최동휘 교수 연구팀은 압저항 센서 관련 후속 연구를 진행할 계획이다. 구체적으로 좌굴 기반 3차원 구조를 센서와 에너지 하베스터와 같은 에너지 변환 장치에 접목해 소자 성능 향상과 기능성 부여를 시도한다. 이 과정에서 3차원 구조의 구조적 특징과 소자 기능을 역학적으로 분석하는 가이드라인도 제시할 계획이다. 이번 연구는 한국연구재단이 추진하는 우수신진연구, 중견연구 및 BK21 사업 지원으로 진행되었다.

글 김율립 yulrip@khu.ac.kr
사진 최동휘 교수 제공

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