웨어러블 기기 개발 새로운 장 열렸다…고무처럼 늘려도 무선통신 성능 유지

고무처럼 늘려도 고성능 전기적 특성을 유지하는 웨어러블 기기의 모습. [사진=정예환 교수 연구팀]

과학기술정보통신부는 한양대학교 정예환·유형석 교수 공동연구팀이 세계 최초로 고무처럼 형태를 변형해도 무선통신 성능을 유지하는 전자피부 개발에 성공했다고 23일 밝혔다.

과기정통부 기초연구사업(우수신진연구) 등의 지원으로 수행한 이번 연구 성과는 국제학술지 '네이처(Nature)'에 22일(현지시간) 게재됐다.

전자피부 기술을 기반으로 한 웨어러블 기기는 의료, 건강관리 등 다양한 분야에서 활발하게 적용되고 있다. 웨어러블 기기가 제대로 동작하려면 신축성을 갖는 무선주파수(RF) 소자와 회로가 필수적이다. 전자피부란 딱딱한 전자소자를 유연하게 만든 것으로 사람 피부에 부착하면 인체 신호 측정이 가능하다는 특징이 있다.

하지만 무선주파수(RF) 회로는 고주파에서 동작하는 특성상 아주 조금만 늘어나거나 구부러지기만 해도 회로의 작동 주파수 대역이 변화해 통신이 끊기거나 전력 송‧수신 효율이 급격하게 낮아진다는 한계가 있다. 따라서 피부 표면과 같이 물리적으로 변화하는 환경에서 제 기능을 수행하려면 신축성을 가지면서 어떠한 조건에서도 무선통신 성능을 유지하는 기술개발이 꼭 필요한 상황이다.

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물리적인 변형에도 무선통신 성능이 유지되려면 변형된 크기에 맞게 회로 기판의 전기적 특성도 바뀌어야 하는데 기존에 보고된 연구는 회로 기판의 특성이 간과돼 왔다. 

정예환 교수 연구팀은 오랫동안 관심을 갖고 연구한 고주파 공학과 웨어러블 기기 분야에 대한 경험을 살려 새로운 회로 기판을 연구하기 시작했고, 소재 분야 연구진과 협업하기 위해 공동 연구팀을 구성했다. 공동 연구팀은 신축성을 가진 고무 재질의 기판에 세라믹 나노입자를 혼합하고 나노입자가 무리지어 조립되는 공정을 사용해 마침내 마음대로 늘리거나 줄여도 무선통신 성능을 유지하는 기판 개발에 성공했다.

과기정통부 관계자는 "해당 연구 결과는 그 동안 학계에 보고되지 않은 세계 최초의 기술"이라며 "연구팀은 이를 응용해 그간 구현하지 못했던 90미터 이상의 장거리에서도 무선으로 통신이 가능한 전자피부도 개발했다"고 설명했다.

또 개발한 전자피부를 이용해 뇌파, 신체 움직임, 피부온도, 근육신호 등 우리 몸에서 나오는 인체 신호들을 원거리에서도 무선으로 정확히 측정할 수 있음을 확인했다.

정예환 교수는 "이번에 개발한 신축성 웨어러블 무선통신 기술은 무선 기능이 필요한 다양한 신축성 시스템에 적용될 수 있다"며 "차세대 통신 기술인 6G 이동통신 기능을 탑재한 신축성 무선 웨어러블 기기 개발에도 착수했다"고 강조했다.