박장웅 UNIST 교수 "스마트 운동화 제작 활용"

공기를 유전층으로 삼는 능동구동형 압력 센서의 구조와 작동원리.<사진=UNIST 제공>
공기를 유전층으로 삼는 능동구동형 압력 센서의 구조와 작동원리.<사진=UNIST 제공>
손가락으로 스치는 가벼운 터치부터 몸무게 압력까지 하나의 센서로 감별할 수 있는 기술이 개발됐다.

UNIST(울산과학기술원·총장 정무영)는 박장웅 신소재공학부 교수 연구팀이 공기를 이용해 3차원 압력 센서를 만드는 기술을 개발했다고 3일 밝혔다.

일반적인 트랜지스터는 실리콘과 유리 계열의 유전체가 이용된다. 하지만 불투명한 물질인 실리콘으로 투명한 센서를 만들기 어렵고, 유리 계열의 유전체는 딱딱한 고체라 누르는 힘을 감지하는 센서에 적당하지 않다는 한계가 있었다.

연구팀은 투명하고 전기전도성이 높은 그래핀과 공기 유전체를 이용했다. 전기신호를 증폭시키는 트랜지스터라는 소자를 이루는 유전층으로 공기를 사용한 것이다. 화면을 누르는 터치패널은 대부분 접촉 시 발생하는 정전기를 이용한다. 이런 경우 누르는 위치는 감지할 수 있지만, 압력 세기까지 알아내기는 어렵다.

연구팀이 개발한 트랜지스터는 압력이 발생한 좌표(x, y축)와 세기(z축)까지 3차원으로 감지할 수 있다. 압력에 따라 두께가 변하는 공기층을 사용한 트랜지스터가 압력 센서로 응용될 수 있기 때문이다.

연구팀은 반으로 접을 수 있는 기판 한쪽에 그래핀 채널, 금속 나노와이어 전극, 공기를 가둘 수 있는 탄성체를 배치했다. 반대쪽은 뚜껑처럼 덮어서 공기를 가뒀다.

이렇게 만들어진 트랜지스터에는 탄성체를 누르는 힘이 공기 유전층으로 전달돼 두께를 변하게 만든다. 트랜지스터 자체가 압력 센서로 바로 응용돼 제작비용도 저렴해진다.

특히 이번 기술은 능동구동형(active-matrix) 압력 센서 구현으로도 주목받고 있다. 압력이 발생한 위치에만 전기를 흘려 신호를 주고받는 것이 가능하다.

전면에 전류를 흘리고 압력 신호를 살피는 수동구동형에 비해 전력 소모도 적고 반응 속도도 빠르다. 또 이번 공정에 사용된 기판과 채널, 전극배선 물질은 모두 투명하기 때문에 눈에 보이지 않는 압력 센서로도 제작할 수 있다. 

박장웅 교수는 "이번 연구는 기존의 압력 센서의 한계점을 해결했을 뿐만 아니라 디스플레이 같은 다른 전자소자와 압력 센서를 결합해 다양한 분야에 적용할 가능성을 제시했다"라며 "차세대 투명 전자소자에 한 걸음 더 내디딜 수 있는 연구"라고 의미를 짚었다.

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