재활치료나 헬스케어, 의족·의수, 로봇 등에는 다양한 감각 감지가 가능한 전자피부가 필요하며, 이를 위해서는 신축성을 가진 압력센서의 개발이 필수적이다. 최근 POSTECH(포항공과대학교)과 울산대학교 공동 연구진이 악어의 피부를 모사하여 신축성이 높은 압력센서를 개발하는 데 성공했다.
POSTECH 화학공학과 조길원 교수, 이기원·손종현 박사 연구팀은 울산대 화학과 이승구 교수 연구팀과 함께 악어 피부의 독특한 감각기관에서 아이디어를 얻어, 압력센서에 마이크로돔 구조와 주름진 표면 구조를 도입함으로써 여러 방향에서 신축 가능한 압력센서를 개발했다.
주로 물속에서 생활하는 악어는 물결의 작은 움직임을 피부로 인식하여 먹이가 움직이는 방향을 찾아간다. 이와 같이 수면의 미세한 흔들림을 정확하게 인지하기 위해 악어는 고도로 발달되고 민감한 피부 감각기관을 가지고 있다. 이 감각기관은 악어가 움직이면서 발생하는 피부 표면의 변형에도 높은 민감도를 유지한다. 악어의 피부 감각기관은 압력을 감지할 수 있는 규칙적인 반구 형태의 감각 돌기와 그 사이에 주름이 있는 접힘(hinge) 부위로 되어 있다. 덕분에 악어가 몸을 움직여도 돌기 사이에 있는 접힘 부분만 변형되어 돌기 위의 감각 감지부는 기계적 변형에 영향을 받지 않는다. 그래서 악어는 물속에서 움직이면서도 외부에서 가해지는 피부 자극을 민감하게 인지할 수 있다.
연구팀은 이런 악어 피부의 감각기관을 구조적·기능적으로 모사하여 고분자 탄성체 내부에 긴 은나노와이어와 짧은 은나노와이어가 선택적으로 들어간 미세 주름과 반구형 구조를 가진 고분자 탄성체를 제작하여, 높은 신축성을 지니는 압력센서를 구현했다. 지금까지 소개된 압력센서는 기계적 변형이 없는 경우에는 높은 민감도를 보이지만, 센서가 변형되면 압력에 대한 민감도가 급격하게 감소하는 경향을 보였다.
반면, 이번에 개발된 센서 소자는 늘어나도 높은 압력 민감도를 유지한다. 또한, 한 방향뿐만 아니라 동시에 두 방향으로 당겨진 경우에도 압력에 대한 높은 민감도를 유지했다. 이는 센서 표면에 존재하는 미세 주름 구조 때문인데, 센서가 외부의 기계적 힘을 받게 되면 이 주름 구조가 펴지면서 압력감지부 역할을 하는 반구형 감지부에 가해지는 스트레스를 감소시키는 것으로 나타났다. 그 결과, 개발된 소자는 한 방향으로는 100%, 두 방향으로는 50%까지 늘어나는 경우에도 압력에 대해 높은 민감도를 나타내었다.
연구팀은 개발된 신축성 압력센서를 이용해 다양한 종류의 웨어러블 소자로 응용했다. 또한, 이 소자를 모형 악어에 부착해 수면파의 변화를 측정하면서 인공 악어 감각기관을 구현했다.
연구를 주도한 조길원 교수는 “이 압력센서는 웨어러블 타입의 압력센서로서 센서가 늘어나도 다양한 종류의 압력을 효과적으로 감지했다”며 “앞으로 인공 보철에 사용되는 압력센서, 소프트 로보틱스의 전자피부, 가상현실과 증강현실의 휴먼-머신 인터페이스 분야에 두루 활용될 것으로 기대한다”고 말했다.
한편, 과학기술정보통신부 한국연구재단과 교육부 대학중점연구소지원사업의 지원으로 수행한 이번 연구의 성과는 재료과학 분야 권위지인 ‘스몰(Small)’지 표지논문으로 게재됐을 뿐 아니라, 와일리(Wiley) 학술지 전문 채널인 ‘어드밴스드 사이언스 뉴스(Advanced Science News)’에도 소개됐다.
