성균관대 김미소 교수 연구팀, 3D 프린팅 기반 차세대 유연 세라믹 복합체 센서 개발

성균관대학교는 신소재공학부 김미소 교수 연구팀이 디지털 광학기술(DLP) 3D 프린팅 공정을 활용해 웨어러블 기기, 로봇 공학 등에 폭넓게 응용할 수 있는 유연 세라믹 복합체 기반의 광범위 압력 센서를 개발했다고 14일 밝혔다.

DLP는 광경화 기반의 3D 프린팅 기술로, 특정 파장의 광원을 사용해 광경화성 수지를 경화시키는 방식이다. UV(자외선) 광원을 디지털 마이크로 미러 장치(DMD)를 통해 원하는 형태의 이미지로 쬐어 단층 레이어를 만들고, 이를 연속적으로 쌓아 3차원의 구조체를 형성한다.

이 기술은 빛을 이용하기에 고해상도 정밀한 형태의 구조체를 빠르게 형성하는 장점이 있다. 또 다양한 소재와 호환할 수 있어 의료, 엔지니어링, 전자기기 등 여러 산업 분야에 응용할 수 있다.

스마트 헬스케어, 웨어러블 기기, 로봇 공학 등 다양한 분야에서 유연한 고성능의 압력 센서를 구현하려는 연구가 주목을 받고 있다. 기존의 세라믹 복합체 구조 제작은 공정이 복잡하고 고비용이 드는 반면 이번 연구는 DLP 3D 프린팅 기술을 사용해 다양한 구조의 세라믹 복합체 프로토타입을 신속하게 제작할 수 있다.

김 교수 연구팀은 기계적으로 유연하면서도 광경화 3D 프린팅 방식에 적합한 광경화성 수지를 개발하기 위해 상용 유연 수지에 4-아크릴로일 모르폴린(ACMO) 모노머를 혼합하는 방식을 제안했다. 제안한 혼합 광경화 수지 소재에 고유전율 세라믹인 티탄산바륨 분말과 전도성 필러인 카본 나노 튜브(MWCNT)를 추가함으로써 높은 유전 특성을 갖는 유연 세라믹 복합체를 제작했다.

연구팀은 또한 센서의 민감도를 향상할 수 있는 대칭적인 모래시계 구조를 제안했다. 제안한 모래시계 구조는 대칭성과 응력 집중 효과로 작은 압력에서도 큰 변형을 보이며 넓은 압력 범위에서 높은 민감도를 보였다. 모래시계 단위 구조를 8x8 배열 형태로 적용한 유연 세라믹 복합체 센서는 작은 외부 압력에도 민감하게 반응한다. 이 센서는 반복적인 저압 환경에서도 안정적이고 신뢰성 있는 신호를 유지했다.

김 교수는 "3D 프린팅을 통해 단일 공정 프로세스로 유연 세라믹 복합체의 구조체와 물성을 동시에 제어해 넓은 압력 범위의 유연 압력 센서에 적용한 게 큰 의미가 있다"며 "DLP 3D 프린팅 공정에 다양한 소재를 적용하고 구성요소 비율을 조절하면 더 넓은 범위의 센서와 에너지 소자 응용 분야에서 활용할 수 있을 것으로 기대한다"고 말했다.

이번 연구 성과는 최근 공학분야 세계적인 국제학술지 Composite Part B: Engineering(IF: 13.1)에 온라인 게재됐다.

이번 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업과 STEAM연구사업(BRIDGE융합연구개발) 지원을 받았다.