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정책/성과

사람 촉각세포를 모방한 전자피부 소재 개발

 

연 구 결 과  개 요

 

 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.

 ◦ 본 연구는, 기존 촉각센서 및 전자피부 기술이 채택하였던 역학변환 메커니즘이 아닌, 역학적 자극에 의한 고분자 나노구조 변형과 이온*의 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.

   * 이온 (ion) : 한 개 이상의 전자를 얻거나 잃어서 전하를 띤 원자나 분자 

   * 세포막 (plasma membarane) : 세포와 세포 외부의 경계를 짓는 막으로 세포 내의 물질들을 보호하고 세포간 물질 이동을 조절함 

   * 이온트로닉 (iontronic) : 기존 일렉트로닉스를 이온전달체로 연결하는 차세대 바이오기술

 

 2. 연구내용

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

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

   * 열가소성 (thermoplastic) : 열을 가했을 때 녹고, 온도를 충분히 낮추면 고체 상태로 되돌아가는 성질

   * 이온성 액체 (ionic liquid) : 양이온과 음이온이 크기의 비대칭성으로 인해 결정체를 이루지 못하고 액체 상태로 존재하는 물질

   * 전해질 (electrolyte) : 물 등의 용매에 녹아서 이온으로 쪼개져 전류가 흐르는 물질 

   * 수소결합 (hydrogen bonding) : 전기음성도가 큰 F, O, N 원자와 공유결합을 이루는 수소 원자가 이웃한 다른 분자의 F, O, N과 이루는 매우 강한 인력

   * 실리카 입자 (silica particle) : 규소와 산소로 이루어진 화합물로 이산화규소라고 하며, 나노미터 수준의 미세구조 제어에 의해 합성된 입자

 

 ◦ 구현된 이온트로닉 소재에 역학적 자극 인가 시, 수소결합이 끊어짐에 따라 자유이온의 농도와 이동도가 증가되는 현상을 규명하였다. 이러한 현상을 통해 이온트로닉 전자피부 소자의 전기이중층* 정전용량*을 증폭시켜 기존 전해질 소재 대비 약 30배 높은 민감도(21.1kPa-1)를 확보할 수 있었다.

   * 전기이중층 : 물체의 얕은 층을 생각할 때 한 면에 양전하, 다른 면에 음전하가 연속적으로 분포되어 있는 것

   * 정전용량 (capacitance) : 축전기(capacitor)가 전하를 저장할 수 있는가를 나타내는 척도

 

 ◦ 본 연구에서 개발한 초감도 이온트로닉 전자피부 소자와 블루투스 기반 무선통신 회로 및 모듈을 결합하여, 터치와 압력의 크기변화로 동력장치의 제어가 가능한 웨어러블 실감형 컨트롤러를 개발하였다.

 ◦ 이 장치는 굴곡이 있는 신체 및 로봇피부, 디스플레이 등에 부착하여 구동가능하며, 1mV의 낮은 구동전압에서도 외부자극을 효과적으로 자극인지가 가능하기 때문에 낮은 전력 소모량으로 장기적 사용이 가능하다.

 

 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.

 

 

★ 연구 이야기 ★

 

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

기존 전자피부 및 유연촉각센서의 소재는 대부분 유사한 자극인지 메커니즘으로 구동되기 때문에 민감도 및 자극인지범위에 대한 한계점이 존재하여 웨어러블 디바이스, 유연 디스플레이, 헬스케어 디바이스 분야에 본 기술이 활발히 적용되지 못하고 있는 실정이다.

 

인공 전자피부의 한계점을 극복하고자 생체 피부와 관련된 생리학을 공부하였고 특히, 촉각세포의 구조와 자극인지 메커니즘을 통해 생체 시스템의 우수한 촉각 능력을 모방하고자 하였다.

 

피부와 같이 유연한 고분자 소재와 생체이온을 대체할 수 있는 이온성 액체로 구성된 고체 전해질의 합성부터 시작하여 다양한 소재의 특성과 기능을 결합하면서 인공 촉각세포를 개발하고자 하였다.

 

 

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

역학적 자극에 의해 가역적으로 이온의 농도와 이동도가 제어되는 이온트로닉 소재를 설계하고 이러한 이온구속효과를 규명하였다. 열가소성 고분자와 이온성 액체로 구성된 고체전해질 소재 내부에 실리카 입자를 도입하면 실리카 입자표면에 국부적으로 이온이 구속되는 현상을 발견하고, 역학자극에 따른 이온거동을 다양한 광학적, 전기화학적 분석을 통해 증명하였다.

 

본 연구에서 새롭게 발견한 이온 구속 및 전달 메커니즘을 촉각센서로 적용하고자 다양한 소자구조를 구성하여 실험하였고 결과적으로 정전용량의 변화를 통해 역학자극의 크기를 정량화 하여 민감도 및 인지자극범위를 최적화하였다.

 

전자피부 소자를 제작하기 위해 초감도 이온트로닉 소재 외 유연 기판 및 전극의 구성을 진행하였으며, 물리적 변형 및 반복적 구동 시에도 센서 본연의 특성을 유지하는 내구성을 확보하였다.

 

개발한 전자피부 소재 및 소자를 실제응용 분야에 적용하고자 무선통신 및 신호처리 모듈, 소프트웨어를 개발하고 각각의 하드웨어를 결합하여 새로운 플랫폼의 컨트롤러를 제작하였다. 외부에서 인가되는 미세한 압력의 차이를 동력장치에 전달함으로써 정교한 제어가 가능한 웨어러블 실감형 컨트롤러를 성공적으로 개발하였다.

 

 

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소는 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

본 연구에서 제안하였던 이온트로닉 소재를 구성하는 요소로써 ~μm 크기의 실리카 입자와 ~nm 크기의 이온성 액체의 3차원 인공 세포막 구조를 규명하고자 많은 시도들을 하였다. 다양한 원소 분석법뿐만 아니라, 이온과 실리카 입자 간 수소결합을 형성하면 이온의 분자구조가 변형 된다는 것을 확인하여 이를 광학적 분석을 토대로 증명할 수 있었다.

 

외부 역학적 자극에 대한 이온거동 특성을 증명하는 연구는 진행된 사례를 많이 찾아볼 수 없다. 따라서 본 연구진은 기존 분석방법을 개선하고 실험장비를 새롭게 고안하여 연구를 진행하였고, 외부 역학자극에 의한 수소결합의 끊어짐과 자유이온 농도(이동도) 증가 현상을 처음으로 발견, 새로운 개념의 물리적 자극에 선택적으로 반응하는 이온 구속 및 전달 메커니즘과 전자피부 플랫폼을 제안할 수 있었다.

 

 

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

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 제안하였으며, 정전용량의 증폭을 통해 기존 연구의 민감도 및 인지자극범위의 한계를 극복하였다.

 

또한, 본 연구에서 개발한 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 가능하다.

 

 

□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는?

본 연구진이 제안하였던 헬스 모니터링 및 컨트롤러 분야 이외에, 사용자가 보다 완벽한 가상/증강 현실을 경험하기 위해 시각뿐만 아니라 촉각에 대한 정보도 전달할 수 있다. 옷이나 장갑과 같이 웨어러블 형태로 제작가능하기 때문에, 사용자의 불편함을 최소화하며 가상/증강 현실 내 촉각을 인지할 수 있다.

 

또한, 극도의 미세한 촉각을 요구하는 수술용 로봇에 적용하여 사람의 손을 대체하는 역할을 할 것으로 기대되며 상용화 된다면 수술 중 발생하는 의료사고를 대폭 감소시킬 수 있을 것으로 예상된다.

 ※ 참고: 다빈치 로봇 수술

 

최근, 인공지능(artificial intelligence)을 포함한 다양한 휴머노이드 로봇 산업이 발전됨에 따라 로봇이 감정을 인식하도록 발전시키는 노력들이 지속되고 있다. 현재는 시각과 청각 기능에만 집중하고 있지만, 로봇피부에 초감도 촉각센서를 적용하여 사람-로봇 간 스마트/감성 인터페이스로써 활발히 사용될 것으로 기대된다.

 ※ 참고: 페퍼(Pepper)

 

전자피부 형태의 디바이스가 인간에게 적용되기 위해서는 생체친화성이 확보되어야하기 때문에, 현재 본 연구진은 생체친화성 이온성 액체를 개발하여 이온트로닉 소재로 적용하기 위한 노력들을 계속 진행하고 있다. 또한, 자동화된 프린팅 방법을 기반으로 한 대면적 제작공정을 통해 디바이스 제작시간을 단축하고 균일한 성능의 촉각센서 어레이를 제작하는 공정을 개발하고 있다.

 

 

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