▲ 그래핀/탄소나노튜브 기반의 직물형 스트레인-압력 복합센서.

국내 연구진이 처음으로 그래핀과 탄소나노튜브를 결합, 면섬유에 코팅해 여러 번 구부리거나 눌러도 방수되고 높은 전도성을 갖는 직물형 센서개발에 성공했다.

한국전자통신연구원(ETRI)은 면섬유와 같은 직물을 그래핀 및 탄소나노튜브를 섞은 용액에 담갔다 빼고 건조공정을 통해, 압력 및 변형정도(Strain)를 동시 측정 가능한 직물형 복합센서 개발에 성공했다고 26일 밝혔다.

연구진은 제작한 센서를 면장갑에 접목, 손가락 동작에 따른 움직임을 감지하는 모션센서 제작에도 성공했다.

그동안 센서에는 전기가 잘 통하는 전도성 계열 금속이 주로 활용됐다. 하지만 금속은 구부리기가 힘들고 반복하면 쉽게 끊어지는 등 유연성과 내구성이 약해 상용화가 힘들었다.

이에 연구진은 환원그래핀과 탄소나노튜브를 결합해 압력 및 변형정도 측정 직물형 복합센서를 구현했다. 센서의 크기는 1x3cm 정도다. 수십 cm 까지 대면적으로도 제작이 가능하고 디자인이나 크기에 제한이 없고 천에 바로 적용하여도 문제없음을 확인했다.

얇으면서도 단단하고 땀이나 약품 등 화학적으로도 안정성이 뛰어난 센서로 세탁을 해도 문제가 없는 방수특성이 있고 별도의 기능보완을 하지 않아도 된다.

‘환원 그래핀’은 연필심의 재료인 흑연을 산화시켜 만든 산화 그래핀에 화학적으로 환원처리 했다. 산화 그래핀이 절연체이다 보니 전도성을 띄게 하기 위해선 이처럼 산화 그래핀에서 산소(O2)를 제거해야 한다. 고품질의 환원 그래핀 용액 제조 과정은 한국화학연구원의 안기석 박사팀이 연구를 진행했다.

ETRI 연구진은 두 가지 소재의 장점을 활용, 탄소나노튜브를 그래핀이 코팅된 직물과 접목, 전기전도도를 증가시켰고 탄소나노튜브의 복잡한 네트워크 구조로 10만 번 이상을 구부리거나 압력을 진행해도 내구성에 문제가 없었다고 설명했다.

연구진은 개발한 센서를 웨어러블 소재인 장갑에 적용해 보고 향후 로봇의 손, 또는 손발이 불편해 의수, 의족을 착용하는 환자들에게 보급할 계획이라고 밝혔다.

최춘기 ETRI ICT부품소재연구소 신소자연구그룹 박사는“복합센서가 측정 범위의 변화에 따라 선형성을 유지하면서 측정 과정이 수초 내에 이뤄지는 등 센싱 성능의 우수성도 확인했다”고 말했다.

한편, 이번 논문의 제1저자는 ETRI 김성준 박사이고, 최춘기 박사가 교신저자이다. 공동교신저자로 한국화학연구원 안기석 박사가 참여했고 동 연구원 송우석 박사, ETRI 이윤식 박사, 민복기 박사, 과학기술연합대학원 (UST) 슈브라몬달 박사 과정 학생이 연구에 참여했다.

또한 본 성과는 미국화학회 나노분야 국제학술지인 ‘응용재료 인터페이스’(AMI) 온라인에 1월8일자에 등재됐다.