기존보다 100~1000배 더 향상된 센서 제작 기술 개발
연구결과 12월 11일(목) 네이처(Nature)지에 게제
국내연구진이 미세균열(nano crack)을 이용하여 변위·진동·압력·음성 등을 기존 센서보다 100~1000배 향상된 감도로 측정할 수 있는 초고감도 센서를 제작하였다.
연구진은 거미가 미세한 진동을 감지하는 감각기관에 미세균열이 있는 것에서 착안하여, 그 원리를 규명하고 이를 모사한 초감도 감지센서를 제작하였다. 향후 다양한 분야에 응용되어 기존보다 훨씬 더 감도가 좋은 센서가 제작될 것으로 기대된다.
이번 연구는 미래창조과학부가 지원하는 글로벌프론티어사업의 멀티스케일에너지시스템연구단(단장 최만수)을 통하여 이루어졌으며, 최만수 교수(서울대)와 김태일 교수(성균관대)의 공동 연구팀이 수행하였다. 또한, 연구결과는 12월 11일(목) 네이처(Nature)지에 게제되었다.
※ 논문명 : Ultrasensitive mechanical crack-based sensor inspired by the spider sensory system
저자 : 강대식1, Peter V. Pikhitsa1, 최용환1, 이찬석1, 신성수1, Linfeng Piao1, 박병학2, 서갑양1, 김태일2, 최만수1
1: 서울대학교 2. 성균관대학교
거미는 미세한 주위 진동을 감지하는 매우 우수한 감각능력을 가지고 있다. 이는 거미의 발목 근처에 존재하는 균열(crack) 형태의 감각기관이 진동을 감지하기 때문이다.
거미의 감각기관은 부드러운 내부와 균열이 있는 딱딱한 박막형태의 외부로 구성되어 있으며, 이 균열과 신경세포가 연결되어 있다. 외부에서 진동이 있는 경우 거미 감각기관에 있는 균열이 벌어지거나 좁혀지는 것을 신경세포가 감지한다.
연구팀은 거미의 균열형상의 감각기관을 모사하여 유연폴리머 기판 위에 백금 박막을 올린 후, 미세균열(nano crack)을 형성하였다. 그리고 이를 초고감도 센서로 작동할 수 있음을 보였다.
균열면 주위에 전류가 흐를 때, 균열이 완전히 접촉되어 있는 경우는 전기저항이 매우 작으나, 외부 자극에 의해 균열이 벌어지게 되는 경우 전기저항이 크게 변화하게 된다. 이 저항의 변화를 측정하면 주위의 진동 등 미세한 물리적 변위를 측정할 수 있다.
연구팀은 이 원리를 이용해 현재 센서보다 감도가 100~1000배 더 향상된 초고감도 센서를 개발하였다.
최만수 단장은 “이번 연구는 변위센서 이외에도 음성 인식 센서, 피부에 부착시켜 인체의 생리적 변화를 측정할 수 있는 유연센서, 압력 및 유량 센서 등에서 감도를 획기적으로 개선할 다양한 응용 가능성이 있다. 아울러, 이번 연구는 작년 6월말 불의의 사고로 사망한 (고)서갑양(서울대) 교수가 주도하였던 연구로서, 이 연구의 저자들은 이 논문을 서갑양 교수께 헌정하기로 하였다.”고 밝혔다.연구 내용 설명
c에서는 이를 모사하여 부드러운 폴리머 위에 딱딱한 백금 박막을 올린 후 크랙을 형성 시킨 본 연구의 나노크랙센서 개략도.
d에서는 실제 5 mmX 10 mm 크기의 크랙센서를 보여주고 있으며 확대한 그림(e) 에서 횡방향으로 발생시킨 수많은 크랙을 볼 수 있다.
f에서는 센서를 당기기 전과 당겨서 스트레인이 0.5%, 1%되었을 때 크랙면이 서로 벌어지는 것을 보여주고 있음. 스트레인= 길이변화/원래 길이
b에서는 8X8의 64개의 나노크랙센서를 함께 연결하여 멀티픽셀센서로 구성한 5cmX 5cm크기의 센서로서 위치에 따라 다른 외부 자극을 동시에 측정가능하다.
예를 들어 빨간 박스 위치에서는 압력(그림 2c) , 파란 박스 위치에서는 진동(그림 2d)을 동시에 측정 가능하다.
2. Nature press release:
Technology: Along came a spider sensor
DOI: 10.1038/nature14002
Spider-inspired mechanical sensors that can detect and record music, recognise speech patterns and monitor heart rates are described in this week’s Nature. The sensors are based on a crack-shaped slit organ that spiders have on their legs, which allows them to detect extremely small vibrations from their surroundings. The system is highly sensitive, durable and flexible, making it a suitable candidate for wearable electronics applications.
The crack-shaped slit organs on spider exoskeletons sense movements by opening and closing in response to external forces. Mansoo Choi and colleagues mimic the geometry of this slit organ by producing a platinum film with cracks in it, through which vibrations can be measured as changes in conductivity as the cracks open and close. The sensor can monitor minute vibrations caused by sound waves; this capability is demonstrated by mounting the device on a violin, and converting the measured string vibrations into digital signals that accurately record the harmonic frequency of each note. When attached to a human neck, the sensor can recognise simple words (“go”, “jump”, “shoot” and “stop”) used as commands for a computer game. The sensor can also be worn on the wrist to measure the heartbeat, providing crucial information about the heart, such as diastolic and systolic movements.
CONTACT Mansoo Choi (Seoul National University, Seoul, Korea)
Tel: +82 2 889 6669; E-mail: mchoi@snu.ac.kr
연 구 결 과 문 답
이번 성과가 기존과 다른 점은?
(기존 기술과 차이 비교)
전도도가 높은 백금 박막을 폴리머 기판위에 코팅한 후 제어된 크랙을 형성시켜 크랙면들이 서로 맞물려 있는 형태로 제조하여 외부의 자극이 없을 때는 백금의 높은 전도도로 작은 저항값을 갖다가 외부의 자극으로 나노 단위의 크랙면이 서로 벌어지면서 급격한 저항 변화를 유도 한 점이 초고감도를 얻을 수 있었던 주요 원인이며 가역적이고 재현성이 확보된 유연 다기능 초고감도 센서로의 가능성을 보인 점.
어디에 쓸 수 있나?
(활용 분야 및 제품)
초고감도 변위센서, 압력센서, 유량 센서, 유연한 생체 신호 모니터링 센서, 음성인식 센서
실용화를 위한 과제는?
백금 대신 값싼 구리나 알루미늄으로의 대체 연구, 양산 공정 개발
실용화 가능 시기는?
시기적으로는 향후 3년 이내에 실용화 가능할 것으로 예상 됨.
산업적, 경제적 파급효과는?
다양한 센서 제조에 활용할 수 있는 가능성이 확보되었으므로 센서 산업의 국제적 경쟁력을 높일 수 있으며 초고감도가 필요한 새로운 산업 분야를 창출할 수 있을 것이다. 현재, 산업적 경제적 가치를 판단하기는 어려우나 다기능 센서의 원천기술이므로 추후 실용화 연구가 지속 될 시에 그 파급효과는 지대할 것으로 판단됨.
