한양대 김도환 교수, 전자피부 소재 개발
촉각 세포 모방, 기존 소재 보다 30배 이상 성능
(AI타임스 = 윤광제 기자) 과학기술정보통신부는 5일 한양대학교 화학공학과 김도환 교수 연구팀이 신체의 촉각세포를 모방한 새로운 개념의 전자 피부 소재 기술을 개발했다고 밝혔다.
김도환 교수 연구팀의 연구 성과는 한국 시간 5일 저명한 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 온라인 게재됐다.
논문명은 A bioinspired hydrogen bond-triggered ultrasensitive ionic mechanoreceptor skin 이다.
인공 장기, 로봇 피부 등 다양한 분야에 활용 가능한 전자 피부 개발을 위해서는 통각, 압각, 촉각 등 미세한 자극을 민감하게 구분할 수 있어야 하면 넓은 자극범위에 대해서도 인지할 수 있는 소재 기술개발이 필수적이다.
그러나, 기존의 전자 피부는 기계적 자극에 의해 소재의 형태가 변화하면서 발생하는 전기적 특성 변화로 작동되기 때문에 민감도 향상과 넓은 범위에서 자극을 인지하는데 한계가 있었다. 이 때문에 웨어러블 디바이스, 유연 디스플레이, 헬스케어 디바이스 분야에 기술이 활발히 적용되지 못하고 있는 실정이었다.
김도환 교수 연구팀은 실제 사람의 피부를 구성하는 촉각세포의 세포막 구조와 기계적 외부자극에 따라 발생하는 생체이온의 신호전달 메커니즘을 모방한 인공촉각세포를 구현함으로서, 넓은 압력범위(0~140kPa)에서도 기존 소재 대비 약 30배 이상의 민감도 성능을 갖춘 전자피부 소재 개발에 성공했다.
연구진은 더 나아가 초고감도 전자피부 기술을 활용, 손으로 누르는 압력의 세기로 동력장치의 가속과 방향을 동시에 제어할 수 있는 무인비행체용 “실감형 웨어러블 컨트롤러” 개발에도 성공했다. 이 장치는 굴곡이 있는 신체 등에 부착해 작동이 가능하며, 1mV의 낮은 구동전압에서도 외부자극을 효과적으로 인지할 수 있기 때문에 낮은 전력 소모량으로도 장기간 사용이 가능하다.
이번 성과가 남다른 이유는 기존에 보고된 전자피부 기술과 다르게 소재의 물리적 형태변형에 의한 전기적 특성변화에 의존하지 않고, 생체 촉각세포의 이온 구속 및 확산 자극인지원리와 동일하게 자극의 크기에 따라 자유이온의 농도와 이온 이동도를 가역적으로 제어 가능한 새로운 메커니즘을 제안했다는 것과 정전용량의 증폭을 통해 기존 연구의 민감도 및 인지자극범위의 한계를 극복한 데 있다.
또한 실감형 웨어러블 컨트롤러 디바이스는 기존에 상용화된 조이스틱형 및 모션 감지형 컨트롤러와 달리 단일(단위) 촉각센서에 다양한 기능을 부여할 수 있을 뿐만 아니라, 인간의 가장 예민한 감각인 촉각의 변화를 동력장치에 직접적으로 전달할 수 있기 때문에 실감형 촉각인터페이스로 활용 가능한 점이 높이 평가받는 이유이다.
김도환 교수는 “이번 연구성과는 생체 촉각세포의 이온전달체계를 매우 근접하게 모사하여 촉각 기능을 극대화한 새로운 개념의 전자피부 기술을 제시한 데 큰 의미가 있다”라며, “차세대 소프트 디바이스의 핵심 소재 기술로서 디스플레이용 실감형 터치스크린, 피부부착형 건강 진단 패치 등 다양한 분야로의 활용이 기대된다”고 밝혔다.
김 교수는 또 실용화가 된다면 “극도의 미세한 촉각을 요구하는 수술용 로봇에 적용해 사람의 손을 대체하는 역할을 할 것으로 기대되며 상용화 된다면 수술 중 발생하는 의료사고를 대폭 감소시킬 수 있을 것으로 예상된다”고 설명했다.
이번 연구는 과학기술정보통신부 글로벌프론티어사업(나노기반 소프트 일렉트로닉스 연구단) 및 기초연구사업(선도연구센터, 중견연구)의 지원으로 수행됐다.
연구 저자는 김도환 교수(교신저자, 한양대), Vipin Amoli 박사(제1저자, 한양대), 김주성 연구원(제1저자, 한양대), 지은송 연구원(제1저자, 한양대), 정윤선 연구원(참여저자, 한양대), 김소영 박사(참여저자, 한양대), 구제형 연구원(참여저자, 한양대), 최한빈 연구원(참여저자, 한양대), 김윤아 연구원(참여저자, 한양대) 이다.
무단전재 및 재배포 금지
기사제보 및 보도자료 news@aitimes.com