숭실대 김도환·카이스트 정희태 교수팀 주도… '초고감도·초저전력·고신축성' 갖춰 ]일반적인 접촉, 다양한 물체의 하중부터 소리와 혈압까지 정확하게 감별하는 ‘전자피부’를 숭실대 김도환 교수팀, 카이스트 정희태 교수팀으로 이뤄진 공동연구팀이 세계 최초로 개발했다고 4일 밝혔다.인간의 피부는 기체의 흐름 혹은 소리파동 등을 느낄 수 있는 미세한 수 파스칼(Pa, 1㎡당 1뉴턴의 힘이 작용할 때 압력)부터 물체 하중을 인지할 수 있는 메가파스칼(MPa)의 압력까지 인지한다. 지금까지 개발된 전자피부는 1kPa 미만의 특정 압력 범위에서만 반응하는 한계를 갖고 있다.
인간을 포함한 포유류의 촉각원리를 직접적으로 구현하여 소리에서부터 혈압 및 일반 터치, 그리고 물체의 하중을 인지할 수 있는‘초고감도, 초저전력, 고신축성 전자피부’모식도/자료=숭실대
연구진이 새롭게 개발한 전자피부는 2014년에 규명된 포유류 피부의 대표적인 촉각수용체중의 하나인 메르켈 세포를 구성하고 있는 피에조(Piezo)2 단백질의 압력자극 센싱메커니즘을 직접적으로 모사한 ‘점-유탄성’이라는 특성을 이용했다.
‘메르켈 세포’는 포유류 피부에서 접촉을 담당하는 상피 세포, ‘피에조2 단백질’은 접촉을 담당하며 외부 물리적 자극에 의해 기계적 변형이 가능한 단백질, ‘점-유탄성’은 탄성과 점성을 동시에 갖고 있는 고체 내에 유체가 점성을 갖고 흐르는 성질을 뜻한다.
연구팀은 소리, 혈압, 물체의 하중에 의해서도 ‘점-유탄성’이 유효하게 변화한다는 점에 착안해 연구를 진행했다.
연구진은 먼저 화학적으로 하드블록과 소프트블록으로 구성된 열가소성 폴리우레탄 고분자를 설계하고, 이온성 액체와의 혼합을 통해 고투명, 점-유탄성 고분자 박막을 제조했다.
이를 기반으로 마이크로크기의 패턴 구조가 도입된 패치형 압전전기용량방식의 전기이중층(EDL) 소자를 제작했다.
‘열가소성’은 열을 가했을 때 녹고, 온도를 충분히 낮추면 고체 상태로 되돌아가는 성질, ‘이온성 액체’는 양이온과 음이온이 크기의 비대칭성으로 인해 결정체를 이루지 못하고 액체 상태로 존재하는 물질, ‘압전전기용량방식’은 압력에 따른 전기용량의 변화를 이용하는 방식, ‘전기이중층’은 물체의 얕은 층을 생각할 때 한 면에 양전하, 다른 면에 음전하가 연속적으로 분포되어 있는 것을 말한다.
이 소자는 휘어지고 늘어나는 피부로서의 특성을 가지면서도, 1kPa의 낮은 압력에서만 민감하게 반응하는 기존 압력센서 기반의 전자피부와는 달리, 하나의 소자가 초저전력(1mV)으로 구동되고, 넓은 압력범위의 자극을 정확하게 분별한다.
연구팀은 “터치 수준의 제한된 압력범위(kPa~MPa)에서 반응하는 포유류 피부의 촉각 인지능력을 뛰어넘는 인공피부임을 확인시켜준 성과”라고 설명했다.
김 교수는 “이번 연구는 차세대 플렉서블(휘어지는) 디스플레이용 터치스크린뿐만 아니라 수술용 소프트로봇처럼 인간-로봇-환경 촉각인터페이스가 절실히 요구되는 헬스케어시스템 등 다양한 산업분야에 적용이 가능하다”고 말했다.
이번 연구성과는 재료과학분야 국제학술지 ‘어드밴스드 머터리얼즈’ 30호 표지논문으로 게재됐다.
작성일 : 17-04-04 09:25
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