젤라틴 하이드로겔 웨어러블 센서 이미지.(사진=국립부경대 제공)

피부처럼 부드럽고 잘 늘어나면서, 늘였다가 줄여도 전기 신호가 거의 흐트러지지 않는 젤라틴 기반 하이드로겔 센서가 개발됐다.

국립부경대학교 디스플레이반도체공학전공 김용현 교수, 화학과 박명기 교수 연구팀이 개발한 이 소재는 사람의 미세한 움직임부터 큰 관절 운동까지 안정적으로 감지할 수 있다.

이 소재는 피부에 부착해 신호를 수집하고, 이를 인공지능(AI)이 학습하면 사람의 동작을 높은 정확도로 구분할 수 있어 차세대 웨어러블 전자피부(e-skin) 플랫폼으로 주목받는다.

연구팀은 돼지 피부 콜라겐에서 유래한 젤라틴에 글리세롤과 폴리에틸렌글리콜을 더해 피부처럼 말랑하고 탄력 있는 기본 구조를 만들었다.

여기에 은 나노와이어(AgNWs)와 전도성 고분자(PEDOT:PSS)를 결합한 하이브리드 전도 네트워크를 입혀, 높은 전기 전도성과 내구성까지 확보했다. 글루타르알데하이드 가교(crosslinking) 공정으로 분자 결합을 촘촘히 묶어 장시간 사용에도 형태와 성능이 유지되도록 설계했다.

이렇게 개발한 하이드로겔 센서의 가장 큰 특징은 전기적 히스테리시스(신호 뒤틀림)가 극도로 낮은 것이다. 일반적으로 센서는 늘였다가 다시 줄일 때 신호가 어긋나 측정값이 흔들리는 문제가 있는데, 이 소재는 200%까지 늘려도 신호 왜곡이 3.5% 이하로 매우 낮아 같은 움직임이면 항상 같은 신호를 안정적으로 제공한다. 1000회 이상의 반복적인 변형에도 성능이 유지되는 내구성을 보였다.

특히 이 하이드로겔 센서는 실제 피부에 붙여 손가락 굽힘, 팔·무릎 관절 운동, 걷기·점프 같은 큰 동작은 물론, 맥박, 호흡, 표정 변화 같은 미세 생체신호까지 정밀하게 인식했다. 연구팀은 센서를 무선(wireless) 시스템에 연결해 데이터를 실시간으로 전송하고, 이를 AI가 분석하도록 해 13가지 동작을 약 97.7% 정확도로 분류하는 데 성공했다.

이 연구 결과를 담은 논문 ‘Exceptionally low electrical hysteresis, soft, skin-mimicking gelatin-based conductive hydrogels for machine learning-assisted wireless wearable sensors’는 화학공학 분야 세계적 학술지 'Chemical Engineering Journal'(IF=13.2)에 최근 게재됐다.

연구팀은 이번 연구에서 기존 하이드로겔의 약점이었던 신호 불안정 문제를 근본적으로 줄이는 데 성공하면서, 이 소재가 AI를 기반으로 인간과 기계 인터페이스(HMI), 디지털 헬스케어에 적용할 수 있는 ‘지능형 전자피부’로 확장될 수 있을 것으로 전망한다.

김용현 교수는 “젤라틴 하이드로겔은 피부처럼 부드럽지만, 센서로 사용기엔 신호가 흔들리는 것이 큰 한계였는데, 이번 연구로 부드러움과 신뢰성, AI 활용성을 한 번에 잡았다”며 “이 소재가 정밀 생체신호 모니터링과, 재활·스마트 운동 코칭, 차세대 웨어러블 기기, 로봇 전자피부 등 다양한 분야에서 활용될 것으로 기대한다”고 밝혔다.