- 기존 소재 보다 30배 이상 성능... 촉감의 증강 기대 -
한양대학교(총장 김우승) 화학공학과 김도환 교수 연구팀이 사람 피부에 있는 촉각세포를 모방한 새로운 개념의 전자 피부 소재 기술을 개발했다고 과학기술정보통신부(장관 유영민)는 밝혔다.
연구팀의 연구 성과는 저명한 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 9월 5일(한국시간) 온라인 게재되었다.
※ 논문명 : A bioinspired hydrogen bond-triggered ultrasensitive ionic mechanoreceptor skin
※ 저자 : 김도환 교수(교신저자, 한양대), Vipin Amoli 박사(제1저자, 한양대), 김주성 연구원(제1저자, 한양대), 지은송 연구원(제1저자, 한양대), 정윤선 연구원(참여저자, 한양대), 김소영 박사(참여저자, 한양대), 구제형 연구원(참여저자, 한양대), 최한빈 연구원(참여저자, 한양대), 김윤아 연구원(참여저자, 한양대)
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.
본 연구는 과학기술정보통신부 글로벌프론티어사업(나노기반 소프트 일렉트로닉스 연구단) 및 기초연구사업(선도연구센터, 중견연구)의 지원으로 수행되었다.
용 어 설 명
1. 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)
◦ Nature Publishing Group(NPG)에서 창간한 과학학술지 중 하나로, 2010년 창간된 이후 2019년 현재 인용지수 (Impact factor) 11.880를 갖고 있는 과학기술 분야에서 세계적 수준의 권위를 가진 저널이다.
2. 촉각세포(Mechanoreceptor)
◦ 진피나 표피에 위치하여 외부에서 가해지는 각종 물리적 자극에 대해 활동 전위를 일으키는 감각 수용체이다. 일반적으로 포유류는 4가지 유형의 촉각세포로 이루어져 있고(Pacinian corpuscle, Ruffini organ, Merkel disks, Free nerve ending), 이는 각각 다른 모양으로 여러가지의 물리적 자극을 인지한다. 인지된 자극은 활동 전위를 발생시켜 뉴런과 시냅스를 거쳐 뇌로 전달된다.
3. 전자피부(Electronic Skin)
◦ 인간의 피부처럼 온도,습도, 압력과 같은 다양한 자극을 감지하는 웨어러블 전자소자. 즉, 외부 환경과 상호작용하여 외부 자극 신호를 전기적 신호로 변환하는 센서들로 이루어진 인공 피부로써, 피부와 같이 유연하고 늘어나는 물성을 가질 뿐 아니라 스스로 치유하는 기능까지 구현할 수 있다.
◦ 체내에 부착 및 삽입하여 건강 정보를 모니터링하고, 인간과 가까운 인공지능 로봇에 적용하여 다양한 분야에서 각광받고 있다.
4. 이온트로닉(Iontronic)
◦ 고체상태의 전자공학적 시스템과 생물학적 시스템을 연결하는 신호 전달체로써 이온의 정교한 제어를 기반으로 하는 새로운 기술
◦ 전기화학, 고체물리학, 전자공학 및 생물학을 아우르는 전자공학과 이온공학을 연결하는 새로운 개념
5. 역학변환(Mechanotransduction)
◦ 역학적 자극의 종류 및 크기를 전기적 신호로 변환하는 과정
[그림 1] 인간 피부 내 촉각세포 및 개발된 생체모사 이온트로닉 전자피부의 외부자극 인지과정에 대한 원리를 나타내는 모식도
(a) 인간 피부가 가지고 있는 촉각세포 내 구성요소.
(b) 촉각세포의 외부자극 인지원리 모식도.
(c) 촉각세포를 모사한 이온트로닉 전자피부 내 구성요소.
(d) 개발된 이온트로닉 전자피부의 외부자극 인지원리 모식도.
[그림 2] 생체모사 기술을 통해 개발된 이온트로닉 전자피부 소재의 이온구속효과
(a) 원소 분석을 통해 확인된 무기물 입자 표면에서의 이온구속효과 특성.
(b) 광학적 분석을 진행하여 고분자 체인, 무기물 입자와 이온의 분포 확인.
(c) 압력 제거 후에도 초기 상태로 되돌아오는 가역적 특성의 실험적 증명.
[그림 3] 초고감도 이온트로닉 전자피부의 센서 특성평가
(a) 기존 이온성 소재 (i-TPU)와 이온트로닉 전자피부 소재 (i-silica-TPU)의 압력에 따른 응답성 비교.
(b) 이온트로닉 전자피부의 압력에 따른 급격한 정전용량 증가.
(c) 인간의 촉각세포를 모사한 이온트로닉 전자피부 소재의 광대역 압력인지 특성.
[그림 4] 초고감도 이온트로닉 전자피부의 활용 가능성
(a) 초고감도 이온트로닉 전자피부를 무선통신기술과 결합하여 드론 컨트롤러로 활용.
(b) 드론 컨트롤러의 무선통신 및 신호처리 과정.
(c) 압력세기에 따라 드론의 방향뿐만 아니라 가속도 제어가 가능한 밴드형 이온트로닉 전자피부.
(d) 압력세기에 따른 드론의 RPM 변화.
