▲ 티타늄 탄질화물 맥신 기반 온도·압력 센서 제작 공정 모식도

국내 연구진이 피부에 부착해 기침, 맥박 등 미세한 생체 신호까지 정밀하게 감지할 수 있는 맥신 기반 센서 소재를 개발하며 인간-기계 인터페이스 및 헬스케어 센서 시장 확장에 새로운 전환점을 제시했다.

UNIST는 반도체소재부품대학원 김수현·권순용 교수 연구팀이 온도와 압력 변화를 동시에 고감도로 감지할 수 있는 티타늄 탄질화물 기반 맥신(MXene) 소재를 개발했다고 11일 밝혔다.

맥신은 금속과 탄소 또는 질소가 원자층 형태로 적층된 나노물질로, 두께가 매우 얇으면서도 높은 전기전도성과 유연성을 동시에 갖춰 웨어러블 헬스케어 및 전자피부 소재로 주목받고 있다.

연구팀이 이번에 개발한 맥신(Ti₃CNTz)은 질소가 없는 기존 맥신(Ti₃C₂Tx) 대비 온도 감지 민감도가 약 3배, 압력 감지 성능은 약 4배 향상된 것으로 나타났다. 이는 외부 자극에 따른 전기저항 변화가 크게 증폭돼 미세한 생체 신호까지 구분 가능하다는 의미다.

성능 향상의 핵심은 질소 도입이다. 연구팀은 최적의 질소 농도를 설계해 전자 밀도를 높이고 격자 진동 효과를 강화했고, 이를 통해 외부 자극 반응성을 극대화했다. 동시에 맥신 특유의 아코디언 구조가 기계적 안정성도 함께 높이는 것으로 확인됐다.

이러한 원리는 밀도함수이론(DFT) 계산과 X선 흡수 미세구조(XAFS) 분석을 통해 이러한 구조적·전자적 변화도 검증됐다. 개발된 센서를 활용한 실험에서는 말하기, 기침, 침 삼키기 등 성대 미세한 움직임을 정밀하게 구분했으며, 눈 깜박임과 손목 맥박 파형, 보행 패턴까지 실시간으로 감지하는 성능을 보였다.

또한 1~2mm 거리에서도 비접촉 방식으로 온도 감지가 가능해 스마트폰 카메라 플래시에서 발생하는 적외선 열을 감지하거나 손가락이 닿지 않은 상태에서도 접근만으로도 온도 변화를 정밀하게 인식할 수 있었다.

김수현 교수는 “온도와 압력을 동시에 정밀하게 감지하면서도 신호 간 간섭을 효과적으로 제어할 수 있다는 점에서 인간-기계 인터페이스와 전자피부 기술의 중요한 전환점”이라며 “헬스케어뿐 아니라 에너지, 촉매, 전자파 차폐 등 다양한 분야로 확장이 가능하다”고 말했다.

이어 “기존 탄화물 중심이던 맥신 연구를 탄질화물 기반으로 확장해 소재 다양성을 확보했다는 점에서도 의미가 크다”고 덧붙였다.

한편, 이번 연구 결과는 재료과학 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)’에 4월 12일 온라인 게재됐다. 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단(NRF), 이노코어(InnoCORE) 사업 지원으로 수행됐다.