사람의 피부처럼 다양한 형태의 압력과 터치를 감지하는 센서가 개발됐다. 고려대 기계공학부 한창수 교수 연구팀이 인체의 감각기관을 원형에 가깝게 모사해 전원 없이 작동하는 초정밀 인공피부센서를 만들었다. 

최근 들어 생체 피부감각기관을 모방한 다양한 형태의 압력 및 터치의 감지를 측정할 수 있는 무전원 고민감 센서에 관한 관심이 높아지고 있다. 압력 및 터치 센서는 다양한 환경에서의 힘에 의한 변형 혹은 미세한 압력, 진동 및 터치를 감지함으로써 의료, 자동차, 항공, 가전, 환경 등의 폭넓은 분야에서 활용되고 있다. 하지만 기존에 개발된 센서는 낮은 감도, 높은 구동전력 등의 문제를 가지고 있어 개선이 필요하다.

감각기관은 수용기, 전해질, 이온채널의 3가지 기본 구성요소로 이뤄져 있으며, 감각신호는 전해질 안의 이온이 이온채널을 지나가면서 발생한다. 연구팀은 이들 요소들을 모두 모방한 무전원 이온채널 피부센서를 구현하는 데 성공했다. 

전해질(electrolyte)은 용액에 녹은 상태에서 이온으로 쪼개져 전류를 흐르게 할 수 있는 물질을 말한다. 이온채널(ion channel)은 세포막에 있는 기공 형태의 단백질인데, 이곳을 통해 이온이나 물 분자가 세포 내·외부로 이송되며, 특히 이온이 이동할 때 신호가 발생하고 이를 뇌가 인지함으로써 감각을 느끼게 된다. 

연구팀은 기존의 실리콘기반의 감지소자에서 발견되는 낮은 감도, 높은 구동전력, 높은 내부저항 등을 극복하고, 새로운 패러다임의 무전원 피부센서를 개발했다. 외부 자극을 동력원으로 이용하는 무전원 이온채널소자를 구현하는 동시에 빠른적응과 느린적응의 2가지 신호 유형을 동시에 얻음으로써 보다 정확하게 촉각 자극을 인지하는 것이 가능했다. 이 같은 센서의 특성을 활용해 혈압, 심전도, 물체 표면의 특징, 물건의 접촉 상황 인지, 점자의 구별 등 인체피부의 정밀한 감각을 유사하게 구현했다.

아울러 인체 혈압을 유추할 수 있는 맥박을 무전원으로 매우 정확히 측정하는 데도 성공했다. 이는 기존 생체신호 측정에서 가장 큰 문제인 전원 및 고민감도 이슈를 획기적으로 해결한 것으로, 특히 인체 감각기관과 유사한 속도로 측정됨을 확인했다. 또 압력과 진동이 동시에 들어오는 자극을 각각 구별할 수 있으며, 점자와 같은 신호를 읽고 구별하는 것이 가능함을 확인했다.

연구팀이 제안한 생체 피부감각기관 모사 인공피부센서는 수용기, 전해질, 이온채널 등의 3가지 요소와 자체 전력생산부인 압전필름을 알맞게 결합시켜 다양한 촉각 자극 상황에서 무전원 고민감도로 촉각 자극을 측정할 수 있음을 보여주었고, 이런 다양한 요소 구성을 통해 센서 분야에서 새로운 패러다임을 제시하고 이 분야의 학문적 돌파구를 제시할 수 있을 것으로 기대되고 있다. 

한 교수는 이번 연구결과에 대해 "기존 실리콘 기반 방식과 다른 새로운 패러다임의 센서"라면서 "생체신호 측정, 로봇피부의 성능 개발 및 개선에 기여하고, IoT와 연계해 무전원 고감도의 센싱 모니터링 체계를 구축해 다양한 산업 분야에 적용될 것으로 기대된다”고 했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 기초연구지원사업(개인·집단연구) 및 글로벌프론티어지원사업의 지원으로 진행됐으며, 연구성과를 담은 논문은 국제학술지 '어드밴스트 머티리얼즈(Advanced Materials)' 2월 9일자에 실렸다.

송강섭 기자 successnews@successnews.co.kr

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