▲ 티타늄 탄질화물 맥신 기반 온도·압력 센서 제작 공정 모식도 / (A) 유연한 기판(PDMS) 위에 탄질화물 맥신 용액을 드롭 캐스팅한 뒤, 전극(Ag 페이스트)을 형성하고 보호층으로 캡슐화해 온도 센서를 제작하는 과정을 나타낸 그림. (B) 맥신과 고분자를 결합한 압력 센서 제작 공정. 몰드에 맥신 용액을 떨어뜨린 후 PDMS를 주입해 복합 감지층을 형성하고, 별도로 제작한 구리 전극을 전사해 최종 센서를 완성한다. 생성된 맥신/PDMS 복합층은 압력에 따라 전도 경로가 변하는 구조를 가진다.(그림 및 설명=UNIST)  © 특허뉴스

피부에 부착하는 것만으로 체온은 물론 맥박, 기침, 침 삼킴 같은 미세한 생체 신호까지 정밀하게 읽어내는 차세대 센서 소재가 국내 연구진에 의해 개발됐다. 인간의 감각을 기계가 그대로 인식하는 ‘전자피부’ 시대를 앞당길 기술로 평가된다.

UNIST 김수현·권순용 교수 연구팀은 온도와 압력을 동시에 감지할 수 있는 티타늄 탄질화물 기반의 초고민감 맥신(MXene) 소재를 개발했다고 밝혔다. 기존 맥신 대비 온도 민감도는 최대 3배, 압력 민감도는 4배 이상 향상돼, 아주 작은 자극도 전기 신호로 정밀하게 변환할 수 있다.

이번 연구의 핵심은 ‘질소 도입’이다. 연구팀은 맥신 구조에 최적 농도의 질소를 포함시켜 전자 밀도와 격자 진동을 강화했고, 이를 통해 외부 자극에 대한 반응성을 극대화했다. 그 결과 센서는 말하기, 기침, 침 삼킴 등 성대의 미세한 움직임은 물론 눈 깜박임과 손목 맥박까지 실시간으로 구분해냈다.

활용 가능성도 폭넓다. 해당 센서는 신발 뒤꿈치에 부착해 보행 패턴을 분석하거나, 피부에 닿지 않은 상태에서도 1~2mm 거리에서 온도 변화를 감지하는 비접촉 센싱까지 가능하다. 이는 웨어러블 헬스케어, 스마트 로봇 전자피부, 인간-기계 인터페이스 분야 전반에 적용될 수 있는 수준이다.

김수현 교수는 “온도와 압력을 동시에 정밀하게 감지하면서도 신호 간 간섭을 제어할 수 있다는 점에서 기술적 전환점”이라며 “헬스케어를 넘어 에너지, 촉매, 전자기파 차폐 등 다양한 첨단 소재 분야로 확장 가능하다”고 설명했다.

이번 연구는 기존 탄화물 중심이던 맥신 소재를 탄질화물로 확장해 소재 다양성과 성능을 동시에 확보했다는 점에서도 의미가 크다. 연구 결과는 재료과학 분야 권위지 Advanced Functional Materials에 게재되며 기술적 가치를 인정받았다.

결국 이번 성과는 ‘입는 센서’를 넘어 ‘몸과 기계를 연결하는 감각 인터페이스’의 현실화를 앞당긴 사례다. 기계가 인간의 상태를 읽는 수준을 넘어, 인간의 감각을 그대로 모사하는 시대가 눈앞에 다가오고 있다.

논문명은 Anomalous Pressure-Temperature Ultrahigh Sensitivities in Atomically Engineered Carbonitride MZenes for Multifunconal Wearable Human-Machine Interfaces: Joint Computational-Experimental Elucidations이다.