KAIST, ETRI와 맞춤형 촉각 센서 구현

[이데일리 강민구 기자] 한국과학기술원(KAIST) 연구진이 기존 센서 한계를 극복하고, 숨결, 압력, 소리까지 감지해 일상적인 움직임부터 의료용 진단에 쓸 수있는 센서를 선보였다.

한국과학기술원(KAIST)은 박인규 기계공학과 교수 연구팀이 한국전자통신연구원 연구진과 공동연구를 통해 기존 촉각 센서 기술의 구조적 한계를 극복한 기술을 개발했다고 23일 밝혔다.

KAIST 연구진.(왼쪽부터) 박인규 교수, 최중락 박사, 이돈호 박사과정, 한찬규 석사.(사진=KAIST)

연구진은 ‘열성형 기반 3차원 전자 구조(Thermoformed 3D Electronics, T3DE)’를 적용해 유연성과 정밀성, 반복 내구성을 동시에 확보한 맞춤형 촉각 센서를 구현했다.

특히, 소프트 엘라스토머(고무, 실리콘 등 쭉 늘렸다가 놓으면 다시 원래 모양으로 돌아오는 재료) 기반 센서가 갖는 느린 응답속도, 높은 히스테리시스(한 번 받았던 힘이나 변화가 기억처럼 남아 같은 자극을 주더라도 항상 같은 결과가 나오지 않는 현상), 크립(오랫동안 힘을 가했을 때 재료가 천천히 변형되는 현상) 오차 등의 문제를 극복했다.

개발한 센서는 2차원 필름 위에 정밀하게 전극을 형성한뒤 열과 압력을 가해 3차원 구조로 성형하는 과정으로 제작된다. 센서 윗부분의 전극과 지지 다리 구조는 목적에 따라 기계적 물성을 조절하도록 설계됐다. 지지 다리의 두께, 길이, 개수 등 미세한 구조 매개변수를 조정해 센서의 영률(재료의 강성을 나타내는 지표)을 10Pa에서 1MPa까지 폭넓게 설정할 수 있다. 피부, 근육, 힘줄 등의 생체조직과 유사한 수준이다.

센서는 공기를 유전체로 활용해 전력 소비를 줄이고 민감도, 응답속도, 온도 안정성, 반복 정밀도 측면에서 우수한 성능을 나타냈다.

총 2800개의 센서를 촘촘히 구성하고 배열해 운동 중 발바닥의 압력 분포를 실시간 시각화하고, 손목 맥박 측정을 통한 혈관 건강 상태 평가 가능성도 확인했다. 상용 음향 센서 수준의 소리 감지 실험에서도 성공적인 결과를 얻었다.

또 증강현실(AR) 기반 외과 수술 훈련 시스템에도 적용해 실제 생체조직과 유사한 강성을 구현했다. 수술 절개 시 가해지는 압력 강도에 따라 시각·촉각 피드백을 주고, 너무 깊이 베거나, 위험한 부위를 건드리면 실시간 위험 경고 기능까지 갖춘 시스템도 만들었다.

박인규 교수는 “센서는 설계 단계부터 정밀하게 조절해 다양한 환경에서도 안정적으로 작동한다”며 “일상생활은 물론 의료, 재활, 가상현실 등 다양한 분야에서 쓸 수 있다”고 말했다.

연구 결과는 국제 학술지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’에 올해 5월호에 게재됐다.

연구 자료.(자료=KAIST)

강민구 (science1@edaily.co.kr)

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