외부 메모리 없이 시공간 정보 기록…로봇 피부·웨어러블 기기 혁신 이끌 촉각 센서 등장

△ 전도성 물질 없이 전기적 신호를 전송할 수 있는 기계적 자극을 통한 유사 전도성 채널 및 시공간 촉각 센서 활용 모식도

접촉하는 순간을 스스로 기억하는 차세대 웨어러블 기기의 기술적 토대가 마련됐다. 고려대학교(총장 김동원) 기계공학부 최원준 교수와 서병석 교수 연구팀이 미국 노스웨스턴대학교와 함께 외부 메모리 장치 없이 시간 정보를 기록하는 촉각 센서를 개발했다. 

촉각 센서는 로봇·웨어러블 기기·전자 피부 등 다양한 분야에서 활용되고 있다. 하지만 기존 촉각 센서는 주로 접촉 위치와 같은 ‘공간 정보’만을 측정하며, 접촉의 순서나 시간 간격과 같은 ‘시간 정보’는 외부 회로와 메모리 장치를 통해 별도로 처리해야만 했다. 특히 유연하면서도 생체에 적합한 고분자 기반 촉각 센서는 전기 신호 전달을 위해 별도의 전도성 물질이나 전극 구조가 필수적이었다.

*촉각 센서: 물체와의 접촉을 통해 발생하는 물리적 신호를 전기 신호로 변환하여 위치 및 압력 등의 정보를 측정하는 핵심 기술

*전자 피부: 사람의 피부처럼 온도·압력·움직임 등 자극을 감지하는 부드럽고 얇고 유연한 센서

연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 두 개의 절연체가 접촉한 소자에 기계적 자극만을 가해 ‘유사 전도성(MSPC) 채널’을 형성했다. 쉽게 말해 자극이 주어지면 일시적으로 전기가 통하는 통로가 만들어져 이를 통해 전기 신호를 전달하는데, 점차 시간이 지나면 이 통로는 자연적으로 소멸한다. 이러한 MSPC 채널의 특성(휘발성)을 이용해 접촉이 발생한 시점을 역산하여 내재적으로 기록하는 것이다.

이 과정에서 필요한 두 개의 절연체는 연구팀이 개발한 ‘MSPC 유리도 지수(MFI)’로 도출할 수 있다. 해당 지표는 물질 고유의 전기적 특성 등을 종합적으로 분석해 MSPC 채널 형성 조건을 정량적으로 분석하고 예측하는 지표다. 실제로 이를 통해 도출된 조합이 신호 전달 과정에서 탁월한 성능을 보이며 유효성을 검증했다.

특히 웨어러블 기기 및 전자 피부 분야에서 활용도가 높을 전망이다. 인체 움직임이나 접촉 정보를 시간 정보와 함께 감지한다는 점에서 차세대 헬스케어 및 인간-기계 인터페이스 기술에 적용할 수 있다. 또 접촉 위치는 물론 접촉 순서와 시간 간격까지 인식하므로 기존 패턴 기반 인증을 넘어선 보안 및 인증 시스템 분야로의 확장성도 지닌다. 

외부 전원, 메모리 소자, 복잡한 회로도 필요 없다. 연구팀은 “구조가 단순하며 에너지 효율성이 높아 경량화 및 저전력화에 유리하며, 외부 전력 공급이 어려운 IoT 센서 및 자가구동 시스템에도 적용할 수 있다”며 “향후 스마트시티, 로봇, 국방 및 다양한 첨단 산업 분야로의 확장이 기대된다”고 밝혔다. 

본 연구 성과는 세계적인 학술지인 ‘Science Advances’ 온라인에 4월 22일 게재됐다.

*논문명: A time-stamping tactile sensor enabled by pseudo-conductive interface design at dielectric heterojunctions

*DOI: 10.1126/sciadv.aec9793

*URL: https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aec9793

이번 연구는 한국 국방과학연구소의 미래도전국방기술사업, 한국연구재단 중견연구사업 및 선도연구센터사업, 한국산업기술평가관리원의 소재부품기술개발사업의 지원을 통해 이뤄졌다.

[연구진 사진]

△ (왼쪽부터) 고려대 기계공학부 서병석 교수(제1저자), 고려대 기계공학부 노도원 석·박사통합과정(제1저자), 노스웨스턴대 기계공학과 신치 첸(Xinqi Chen) 교수(교신저자), 고려대 기계공학부 최원준 교수(교신저자)