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연구

인간 피부의 압력 감지 능력을 뛰어넘는 로봇용 전자 피부 개발​
조회수 : 1583 등록일 : 2022-10-27 작성자 : 홍보실

(왼쪽부터) 전기및전자공학부 정재웅 교수, 이시목 박사과정, 변상혁 박사과정

< (왼쪽부터) 전기및전자공학부 정재웅 교수, 이시목 박사과정, 변상혁 박사과정 >

우리 대학 전기및전자공학부 정재웅 교수 연구팀이 인간 피부의 압력 감지 능력을 뛰어넘는 고감도 및 광범위 압력 측정이 가능한 로봇용 전자 피부를 개발했다고 27일 밝혔다. 

연구팀이 개발한 전자 피부는 인간 피부에 비해 더 높은 민감도와 더 넓은 압력 측정 범위를 보여 최근 각광받는 로봇 산업, 헬스케어 산업, 증강 현실 등 다양한 분야에 폭넓게 적용될 수 있을 것으로 기대된다. 

전기및전자공학부 이시목 박사과정과 변상혁 박사과정 학생이 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 `어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials)' 온라인 버전에 103출판됐다. (논문명 : Beyond the Human Touch Perception: Adaptive Robotic Skin Based on Gallium Microgranules for Pressure Sensory Augmentation) 

인간 피부의 촉각 인지 능력을 모방하는 전자 피부는 원격으로 감도 및 외압 측정이 가능해 메타버스, 로봇 공학, 의료 기기 등 다양한 산업에 활용할 수 있다. 이로 인해 전자 피부가 많은 주목을 받고 있으며, 특히 전자 피부의 핵심 기술인 압력 센서의 민감도를 높이기 위해 많은 연구가 진행됐다. 

하지만 개발된 고감도 압력 센서는 압력 감지 범위가 좁다는 단점을 가진다. 이를 해결하기 위해 광범위 압력 감지 센서가 등장했으나 기존 고감도 센서들과 비교해 현저히 낮은 민감도를 보였다. 이에 따라 사용자들은 상황과 목적에 맞춰 별개의 센서를 사용해야 했으며 이 과정에서 측정의 정확도가 떨어지고 번거롭다는 문제가 발생했다. 

연구팀은 갈륨(Gallium)과 중합체(Polymer)를 합성해 온도에 따라 민감도와 압력 감지 범위를 변화시킬 수 있는 가변 강성 압력 센서를 개발했다. 개발된 압력 센서는 사용자가 상황과 목적에 맞게 고감도 감지 모드와 광범위 압력 감지 모드를 손쉽게 전환할 수 있도록 설계됐다.

그림 1. 전자피부의 전환 가능한 두 가지 모드 – 고감도 감지 모드와 광범위 압력 감지 모드 – 와 그 활용에 대한 개념도 (좌). 가변 강성 압력 센서 2-D 어레이를 활용하여 제작한 전자피부 사진 (상)과 가변 강성 압력 센서 개념도 (하)

< 그림 1. 전자피부의 전환 가능한 두 가지 모드 – 고감도 감지 모드와 광범위 압력 감지 모드 – 와 그 활용에 대한 개념도 (좌). 가변 강성 압력 센서 2-D 어레이를 활용하여 제작한 전자피부 사진 (상)과 가변 강성 압력 센서 개념도 (하) >

압력 센서의 핵심 소재는 액체금속 중 하나인 갈륨으로, 금속임에도 불구하고 미온(29.76 )에서 녹는점을 가져 쉽게 고체와 액체 간의 상태 변화가 가능하다. 연구팀은 내장된 갈륨의 상태에 따라 센서의 강성률이 변화하는 점에 기반해 온도에 따라 민감도와 감지 범위 변화가 가능한 압력 센서를 제작했다. 

연구팀은 미세 유체기반 제작 방식을 통해 균일한 갈륨 미립자를 형성/활용해 압력 센서를 제작했고 이를 통해 센서 간 균일성 및 재현성을 극대화해 신뢰성 높은 대면적 전자 피부 제작을 가능하게 했다.

그림 2. 미세유체기반 갈륨 미세방울 제작 과정 개념도 (좌), 프린팅된 갈륨-탄성 중합체로 제작한 가변 강성 압력 센서 개념도 및 내부 갈륨-탄성 중합체 현미경 사진 (우)

< 그림 2. 미세유체기반 갈륨 미세방울 제작 과정 개념도 (좌), 프린팅된 갈륨-탄성 중합체로 제작한 가변 강성 압력 센서 개념도 및 내부 갈륨-탄성 중합체 현미경 사진 (우) >

그림 3. 가변 강성 압력 센서의 외압의 유무와 모드에 따라 변화하는 모습의 개념도와 실제 사진. 외압이 없는 경우 (상)와 외압이 있는 경우. (하) 외압이 있는 경우 내장된 갈륨이 고체 상태인 리지드 모드 (좌)와 갈륨이 액체 상태인 소프트 모드 (우)

< 그림 3. 가변 강성 압력 센서의 외압의 유무와 모드에 따라 변화하는 모습의 개념도와 실제 사진. 외압이 없는 경우 (상)와 외압이 있는 경우. (하) 외압이 있는 경우 내장된 갈륨이 고체 상태인 리지드 모드 (좌)와 갈륨이 액체 상태인 소프트 모드 (우) >

제작된 전자 피부는 인간 피부와 비교 시 97% 높은 민감도와 262.5% 넓은 압력 측정 범위를 보였다. 연구팀은 전자 피부의 가변성을 활용해 맥박 측정과 같이 높은 압력 민감도가 필요한 상황과 몸무게 측정과 같이 넓은 감지 범위가 필요한 상황 모두에 개발된 로봇 피부가 활용될 수 있음을 입증했다. 

정재웅 교수는 "액체금속의 상변화를 활용한 이번 기술은 전자 피부를 넘어 상황과 목적에 맞게 전기/기계적 특성을 변환시킬 수 있는 다양한 다목적 전자기기, 센서, 로봇 기술의 개발에도 활용될 수 있을 것이다 ˮ라고 말했다.

그림 4. 가변 강성 압력 센서 2-D 어레이를 활용하여 제작한 전자피부 개념도 (좌), 전자피부의 광범위 압력 모드와 고감도 감지 모드에서 서로 다른 압력 감지 능력을 보여주는 사진과 표 (우). 광범위 압력 감지 모드의 전자피부를 통한 아기 무게 측정 (상). 고감도 감지 모드의 전자피부를 통한 맥박 측정 (하).

< 그림 4. 가변 강성 압력 센서 2-D 어레이를 활용하여 제작한 전자피부 개념도 (좌), 전자피부의 광범위 압력 모드와 고감도 감지 모드에서 서로 다른 압력 감지 능력을 보여주는 사진과 표 (우). 광범위 압력 감지 모드의 전자피부를 통한 아기 무게 측정 (상). 고감도 감지 모드의 전자피부를 통한 맥박 측정 (하). >

한편 이번 연구는 과학기술정보통신부에서 추진하는 나노 및 소재 기술개발사업, ICT 핵심기술개발사업, 한국전자통신연구원 내부연구개발사업 개방형융합선행연구의 지원을 받아 수행됐다.

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