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NEW 강대식 교수팀, 세계 최고 민감도 가진 변형률 센서 개발
- 2024-12-26
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- 미세 변형 측정 가능, 뇌혈관 질환∙건축물 구조적 이상 등 모니터링에 활용 기대
- <사이언스 어드밴시스(Science Advances)> 게재
우리 학교 기계공학과 강대식 교수가 참여한 연구팀이 세계 최고 수준의 민감도를 가진 변형률 센서를 개발했다. 이 센서는 생체 환경에서 높은 활용도를 가져 생체공학 및 의료기기 분야에 널리 적용될 수 있을 전망이다.
강대식 교수(기계공학과, 사진)는 서울대 재료공학부 강승균 교수팀, 단국대병원, 미국 퍼듀대 연구팀과 함께 미세균열과 메타구조의 독창적 결합을 통해 초민감 유연 신축성 센서를 개발했다고 밝혔다. 연구팀은 해당 센서로 뇌혈관의 혈압 및 혈류를 연속적으로 측정, 뇌졸중을 실시간으로 진단하는 기술을 구현해냈다. 이번 연구 성과는 <사이언스 어드밴시스(Science Advances)>에 12월20일 온라인 게재됐다.
‘변형률 센서(Strain Sensor)’는 재료나 구조물의 표면에 부착해 변형률을 측정하는 장치다. 변형률(Strain)은 외부에서 힘이나 하중이 작용했을 때 물체가 원래의 길이나 부피 보다 얼마나 변형되었는지를 나타낸다. 신축성이 높은 유연 변형률 센서는 전도성 재료의 전기저항 변화를 기반으로 특정 물체의 변형이나 생체 신호를 감지한다.
그러나 기존에 이용되어 온 변형률 센서는 측정가능한 민감도가 제한적이었다. 10⁻³ 이하의 미세한 변형률을 측정할 때 성능이 급격히 저하되는 것. 사람을 사망에 이르게 하는 뇌출혈이나 뇌경색 같은 뇌혈관 질환은 10⁻³ 미만의 초미세 변형을 동반하며, 건축물에서의 구조적 이상은 10⁻⁵~10⁻³ 수준의 표면 변형을 동반한다.
그림 왼쪽이 메타구조-균열 통합 기반 초고민감 변형률 센서 오른쪽은 메타-균열 센서를 구성하는 균열이 포함된 박막과 메타구조
공동 연구팀은 음의 푸아송 비율(Poisson’s ratio, 수평 방향의 변형률을 수직 방향의 변형률로 나눈 비율)을 가진 메타구조를 도입, 기존 센서 대비 최대 100배 이상 민감도가 높은 새로운 유연 신축성 변형률 센서를 개발하는 데 성공했다. 이 센서는 10⁻⁵ 수준의 극미세 변형까지 측졍할 수 있다. 사람의 머리카락에서 원자 하나만큼의 길이가 늘거나 주는 수준의 극미세 변형까지 측정 수 있게 된 것. 연구팀은 실제 빵에서 피어난 곰팡이 균사에서의 접촉(10⁻⁵ 수준 변형률)을 실시간 감지, 미생물 성장 과정에서 보이는 극미세 변형도 모니터링 가능함을 확인했다.
연구팀은 또한 새로 개발한 센서를 두개골 내부 뇌혈관 표면에 부착, 혈압과 혈류 변화를 실시간 모니터링하는 데 성공했다. 뇌출혈이나 뇌경색 같은 뇌혈관계 질환이나 심혈관계 질환을 조기에 진단하고, 정밀한 의료 데이터를 확보할 수 있게 된 것이다. 센서는 생분해성 소재가 사용되어 인체 내에서 자연 분해되기 때문에 환자에의 적용이 안전하다. 이번에 개발한 센서는 의료 분야 뿐 아니라 로봇 공학이나 재난 구조, 환경 모니터링 등 다양한 분야에서 응용될 것으로 연구팀은 기대하고 있다.
위 사진 왼쪽 - 개 뇌 모델 혈관 표면에서의 생체 신호 모니터링 모식도. 위 오른쪽 이미지는 혈관 다발 표면에서의 초민감 혈압 변화 모니터링 현황을 보여준다.
아래는 실시간 혈류 변화 모니터링 모습