카이스트, 압력과 인장 구분 가능한 무선통신 소자 첫 개발

무선통신 신소재를 개발한 카이스트 (좌측부터) 이건희·이강산 박사과정과 김상욱·스티브 박 교수.

카이스트(KAIST) 신소재공학과 스티브 박, 김상욱 교수 공동 연구팀이 신물질을 이용해 압력과 인장(늘이기)을 구분할 수 있는 무선통신 소자를 첫 개발했다.

22일 연구팀에 따르면 무선통신에 활용되고 있는 전기 공진기(electrical resonator)가 여러 정보를 전달할 수 있는 원거리 통신이 가능할 뿐만 아니라 다양한 기능성 재료(생분해성 물질, 자가치유 물질)로 구현이 가능해 웨어러블·임플란터블 소자 분야에서 연구가 활발히 진행되고 있다.

전기 공진기의 무선통신 신호는 2개의 요소, 즉 공진기의 정전용량에 의해 결정되는 ‘공진주파수’와 공진기에 저장된 전자기파 에너지에 의해 결정되는 ‘품질 인자(quality factor)’에 의해 결정된다.

기존에는 공진기의 신호를 변화시킬 수 있는 메커니즘과 관련된 물질의 특성 및 소자의 구조에 대한 전반적인 이해가 부족했기 때문에 효과적인 신호처리를 위한 시스템 구축에는 많은 제약이 따랐다. 특히, 공진주파수와 품질 인자의 변화를 분화하기 위해서는 공진기의 저장된 전자기파를 차폐할 수 있는 신물질이 필요한데 공동 연구팀은 2차원 신물질인 ‘맥신(MXene)’을 사용했다. 합성 재료 중 가장 우수한 전자기장 차폐능력을 갖췄기 때문이다.

연구팀은 우선 압력에 따라서 기공이 닫히는 다공성 탄성체에 Ti3C2Tx 조성의 맥신을 코팅해 외부 자극에 따라 공진기의 저장된 에너지를 변형시킬 수 있는 센서로 활용했다. 이때 탄성체와 맥신 사이에 나노 접착제 역할을 하는 폴리도파민(홍합이 바위에 붙을때 내는 접착물질을 고분자화한 물질)을 도입해 2000번 이상의 반복적인 수축과 이완에도 신뢰성 있게 작동할 수 있도록 소자를 만들었다.

나아가, 딥러닝 기법을 적용해 미리 학습됐던 압력과 인장 자극을 구분해 정확하게 맞추고, 학습되지 않은 새로운 압력과 인장 자극도 약 9%의 오차 이내로 맞출 수 있는 시스템을 구현하는 데 성공했다. 

이 소자는 무선으로 기계적 자극을 구분해 측정할 수 있고, 생체친화적이며 가볍기 때문에 웨어러블 소자로 활용이 가능하다. 연구팀은 또 이 소자를 기반으로 정형외과 수술 이후 재활 과정에서 부상을 방지할 수 있는 모니터링 시스템을 개발했다.

스티브 박 교수는 “최근 주목받고 있는 무선통신 소자의 신호처리에 새로운 방향을 제시하고 신물질인 맥신의 다양한 적용 가능성을 보여준 의미있는 연구성과”라면서 “헬스케어를 위한 웨어러블, 임플란터블 모니터링 전자소자에 활용될 것으로 기대된다”고 말했다. 카이스트 신소재공학과 이건희, 이강산 박사과정 학생이 공동 제1 저자로 참여한 연구논문은 국제 학술지 ‘ACS Nano’ 8월 19일자 온라인 판에 게재됐다.

대전=임정재 기자 [e-mail]