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중국 칭화(淸華) 대학교 마이크로 전자 연구소 런톈링(任天令) 교수 연구팀은 포지티브 저항(positive resistance) 특성 유형의 3극관(triode) 맞춤형 그래핀 압력 센서 개발에 성공함.

연구팀은 이번 연구를 통해 맞춤형 그래핀 압력 센서를 개발하였는데, 동 센서는 극히 높은 민감도와 비교적 큰 측정거리를 보이고 있기 때문에 직접 피부에 붙여 호흡, 맥박 탐지 등에 사용되며, 인체의 다양한 부위의 혈압 수치와 파형(波形) 채집, 발바닥 압력, 걸음 상태 모니터링을 실행하는 동시에 운동 모니터링, 인텔리전트(Intelligent) 진료 등의 분야에서도 응용될 수 있을 것으로 전망함.

압력 센서는 중요한 신호 수집 디바이스로서 높은 민감도와 비교적 큰 측정거리를 가지고 있어야 하는 동시에 인체 신호 수집에 사용되고 있기 때문에 우수한 플렉시블 특성, 밀착도와 내구성을 가지고 있어야 함. 하지만 전통적인 압력 센서는 압력을 받을 때 전기 저항 수치가 감소되고 오히려 네거티브 저항(negative resistance) 변화를 보이며, 이런 상황은 측정거리와 민감 정도가 네거티브(negative) 상관관계의 제약을 받도록 하여 성능 향상을 어렵게 함.

런톈링(任天令) 교수 연구팀은 레이저 환원 그래핀에 기반하고, 그래핀과 실리콘 고무 플렉시블 기판과 결합하여 3극관(triode)과 유사한 구조를 보유한 그래핀 압력 센서를 개발하였음. 연구팀은 관련 측정과 분석을 통해 전체 측정거리 구간 내에서 센서의 민감 정도는 압력 증가에 따라 관련 민감 지수가 향상되는 변화 트렌드를 나타내고 있다는 점을 발견하였음.

연구팀은 압력 센서에서 힘의 끝단을 기준 극(極)으로 사용하고, 트랜지스터 정지 상태의 작업 점을 조절하는 방식으로, 역학(力學) 정지 상태 편향에 대한 조절을 통해 미소(微小)한 역학 신호 측정과 확대를 구현함. 센서는 여러 개 층의 그래핀을 사용하기 때문에 거시적 구조상에서 2차원 소재에 속하고 있으며, 디바이스는 포지티브 저항 변화의 특성을 나타내는 동시에 패턴, 스캔 등 다양한 방법으로 디바이스 맞춤 제조를 실현할 수 있음.

연구팀이 개발한 센서는 팔목에 부착하여 맥박을 모니터링 하고, 가슴에 부착하여 호흡 신호를 모니터링 하는 외, 인체 여러 위치에서 혈압 수치와 파형(波形)을 측정함. 연구팀이 개발한 센서는 큰 측정거리 특징이 있기 때문에 발바닥 압력 측정과 걸음 상태 모니터링에 응용될 수 있어 동 센서는 실시간 걸음 상태 모니터링 시스템 구축에 응용할 수 있는 것으로 나타났음.

런톈링(任天令) 교수 연구팀은 최근 수 년 간 그래핀 디바이스 기초연구와 실용화 응용 연구를 수행해 왔음. 특히 전통 디바이스 한계를 해결하는 신형 마이크로 나노 전자 디바이스 개발 연구로 신형 그래핀 음성학 디바이스와 각 종 유형 센서 디바이스 연구 분야에서 다양한 혁신 성과를 보였음.

런톈링(任天令) 교수 연구팀은 플렉시블 그래핀 음성 발생 디바이스, 신형 그래핀 저항 변화 메모리 디바이스, 광 스펙트럼 조정이 가능한 그래핀 발광 디바이스, 그래핀 바이오닉스 접촉 디바이스, 조절 가능한 그래핀 응력 센서, 바이오닉스 그래핀 압력 센서, 극히 낮은 에너지 소모 그래핀 페로브스카이트 저항 변화 메모리 디바이스 등 센서 디바이스 개발에 많은 실적을 보이고 있음.

본 연구 성과는 ‘ACS Nano’ ("Triode-Mimicking Graphene Pressure Sensor with Positive Resistance Variation for Physiology and Motion Monitoring") 지에 게재됨.