인공 장기, 로봇 피부 등 다양한 분야에 활용 가능한 전자 피부 개발을 위해서는 미세한 자극을 민감하게 구분하는 것은 물론, 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. 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 성공하였다.

더 나아가 연구진은 초고감도 전자피부 기술을 활용, 손으로 누르는 압력의 세기로 동력장치의 가속과 방향을 동시에 제어할 수 있는 무인비행체용 “실감형 웨어러블 컨트롤러” 개발에도 성공하였다. 이 장치는 굴곡이 있는 신체 등에 부착하여 작동이 가능하며, 1mV의 낮은 구동전압에서도 외부자극을 효과적으로 인지할 수 있기 때문에 낮은 전력 소모량으로도 장기간 사용이 가능하다.

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.



1. 연구배경

웨어러블 전자기기 및 유연 소재 기반의 디스플레이, 의료용 기기, 로봇기술이 발전됨에 따라 사용자의 주변환경을 실시간으로 인지하는 스마트 인터페이스 및 전자피부 기술의 중요성이 대두되었다.

인간의 피부가 넓은 자극범위를 매우 민감하게 인지하는 것과 대조적으로, 종래의 전자피부 기술은 소재의 물리적 형태변형에 의존하는 역학변환 메커니즘으로 인해 인지자극범위와 민감도의 한계점이 존재하였다.

이 연구는 기존 촉각센서 및 전자피부 기술이 채택하였던 역학변환 메커니즘이 아닌, 역학적 자극에 의한 고분자 나노구조 변형과 이온의 분자 간 결합력 변화를 유도하는 이온 구속 및 확산 메커니즘을 통해 종래 기술의 민감도 및 인지자극범위의 한계를 극복하고자 하였다.

인간의 피부를 구성하는 촉각세포의 세포막 구조와 자극인지 원리를 모방함으로써 넓은 범위의 자극을 미세하게 구별 가능한 이온트로닉 인공 촉각세포를 구현하여, 차세대 소프트 디바이스의 핵심소재를 개발하고자 하였다.

2. 연구내용

생체 촉각세포는 세포막을 기준으로 구획되어 있는 59이온들이 외부 역학적 자극에 의해 세포막 내부로 이동하여 막전위(plasma membrane potential)를 발생시키는 자극인지 원리를 가진다.

위 생체 시스템을 모방하고자 열가소성 폴리우레탄 고분자와 이온성 액체로 구성되어 있는 전해질 내부에 실리카 입자(silica particle)를 도입하여 이온과 수소결합을 유도하였다. 또한, 양이온(EMIM+)과 음이온(TFSI-) 간 정전기적 인력(coulomb interaction)으로 인한 이온구속효과 기반 인공 세포막 구조를 구현하였다.

3. 기대효과

수소결합기반의 이온구속효과와 압력에 의한 가역적인 결합력 변화 메커니즘은 기존에 연구되지 않은 새로운 방식의 촉각센서 구동방법이며, 이러한 초감도 이온트로닉 소재의 개발은 학술적/기술적 의의가 크다.

최근 급성장하고 있는 지능형 로봇, 스마트 디바이스, 유연 디스플레이, 헬스케어 디바이스 분야의 핵심기술인 촉각센서 소재기술을 일본이 주도하고 있기 때문에, 차세대 원천소재기술을 확보함으로써 촉각센서 관련 부품 및 소재에 대한 일방적인 수입과정의 개선과 미래 산업의 기술 경쟁력을 확보할 것으로 기대된다.

무선통신 기반 실감형 컨트롤러는 웨어러블 형태로 사용자에게 보다 편리하게 착용 및 적용가능하고 초감도 특성으로 인해 정교하고 미세한 조종이 가능하기 때문에 기존 컨트롤러를 대체하여 관련 산업에 큰 수요를 발생시킬 것으로 기대된다.