어디를 얼마나 세게 눌렀는지 알려주는 ‘3차원 압력 센서’가 개발됐다. 손가락이 스치는 가벼운 힘부터 사람 몸무게로 누르는 큰 압력까지 하나의 센서로 감별 가능하다. 또 누르는 부분만 전기 신호를 전달해 빠르고 전력소모가 적은데다, 투명하기까지 해 활용도가 높을 전망이다.

UNIST(총장 정무영) 신소재공학부의 박장웅 교수팀은 공기를 이용해 압력 센서를 만드는 기술을 개발했다. 전기신호를 증폭시키는 트랜지스터라는 소자를 이루는 유전층으로 공기를 사용한 것이다. 유전층에 들어가는 물질은 전기가 통하지 않지만 양전하와 음전하를 나눠 배열시키는 성질이 있다. 이번에 개발한 센서는 그래핀과 공기를 이용하는 방식으로 압력 센서에 적합한 구조를 이뤘다.

일반적인 트랜지스터는 실리콘과 유리 계열의 유전체가 이용된다. 그런데 불투명한 물질인 실리콘으로는 투명한 센서를 만들기 어렵고, 유리 계열의 유전체는 딱딱한 고체라 누르는 힘을 감지하는 센서에 적당하지 않다. 이에 연구진은 투명하고 전기전도성이 높은 그래핀과 공기 유전체를 이용하기로 했다.

박장웅 교수는 “공기를 트랜지스터의 유전층으로 사용하면 유전층이 그래핀를 깨끗하게 감싸는 효과를 가져오기 때문에 트랜지스터의 성능이 크게 향상된다”며 “가해준 압력에 따라 공기층의 두께가 달라지는 점을 이용하면 압력을 효과적으로 감지할 수 있다”고 설명했다.

화면을 누르는 터치 패널은 대부분 접촉 시 발생하는 정전기를 이용한다. 이 경우 누르는 위치는 감지하지만, 압력 세기까지 알아내기는 어렵다. 박장웅 교수팀이 개발한 트랜지스터는 이런 한계를 극복하고, 압력이 발생한 좌표(x, y축)와 세기(z축)까지 3차원으로 감지할 수 있다. 이는 압력에 따라 두께가 변하는 공기층을 사용한 트랜지스터가 압력 센서로 바로 응용될 수 있기 때문이다.

연구진은 반으로 접을 수 있는 기판 한쪽에 그래핀 채널, 금속 나노와이어 전극, 공기를 가둘 수 있는 탄성체를 배치했다. 그런 다음 반대쪽을 뚜껑처럼 덮어서 공기를 가뒀다. 이 트랜지스터에서는 탄성체를 누르는 힘이 공기 유전층으로 전달돼 두께를 변하게 만든다. 이 차이가 금속 나노와이어와 그래핀 채널을 통해 전기신호로 전달되면서 압력의 위치는 물론 세기까지 표현하게 되는 것이다. 트랜지스터 자체가 압력 센서로 바로 응용되므로 제작비용도 저렴해진다.

이 기술은 특히 능동구동형(active-matrix) 압력 센서 구현으로도 주목받고 있다. 압력이 발생한 위치에만 전기를 흘려 신호를 주고받는 게 가능하다는 것. 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.

공동 제1저자인 지상윤 UNIST 신소재공학부 석‧박사통합과정 연구원은 “손가락으로 가볍게 치는 정도의 낮은 압력(10kPa 이하)부터 사람 체중을 싣는 높은 압력(2MPa 이상)을 동시에 측정이 가능하다는 점이 가장 큰 특징”이라며 “3차원 터치 패널이나 사람의 체중 분포를 측정해 생활 패턴을 분석할 수 있는 ‘스마트 운동화’ 등을 제작할 수 있을 것”이라고 전했다.

박장웅 교수는 “이번 연구는 기존의 압력 센서의 한계점을 해결했을 뿐 아니라, 디스플레이 같은 다른 전자소자와 압력 센서를 결합시켜 다양한 분야에 적용할 수 있는 가능성을 제시했다”며 “차세대 투명 전자소자에 한 걸음 더 내딛을 수 있는 연구”라고 의미를 짚었다.

이번 연구결과는 세계 최고 권위지 네이처의 자매지인 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 최신호에 게재됐다. (끝)

• 논문명: Integrated arrays of air-dielectric graphene transistors as transparent, active-matrix pressure sensors for wide pressure ranges

그림1. 공기를 유전층으로 삼는 능동구동형 압력 센서의 구조와 작동원리: 반으로 접을 수 있는 기판의 한쪽에 그래핀과 금속 나노와이어, 탄성체 등을 배치한 뒤 덮는 구조다. 이렇게 하면 공기 유전층이 만들어지는데, 탄성체를 누를 때 공기 유전체의 두께가 달라지면서 압력 위치와 세기에 따른 신호를 만들게 된다. PDMS는 탄성체, substrate는 기판, 금속 나노와이어 S와 D 사이에는 그래핀이 배치됐다. 압력을 받아 전기적 신호를 주게 될 관문인 G 역시 금속 나노와이어다. 탄성체를 눌러서 압력을 주면 공기 유전체의 두께에 변화가 생기에 그에 따라 G와 S, D에 흐르는 전기 신호가 달라진다. 이 신호를 측정하면 압력의 위치와 세기 등을 알아낼 수 있다.