▲ 인간을 포함한 포유류 피부의 외부압력 센싱과정(상)과 개발된 생체 모사형 전자피부의 촉각센싱과정(하)을 나타내는 모식도 .

국내 연구진이 포유류의 촉각원리를 직접적으로 구현한 전자피부를 개발했다. 소리에서부터 혈압, 일반 터치, 다양한 물체의 하중까지 정확하게 감별이 가능해 향후 다양한 보건, 의료 등 헬스케어시스템을 비롯해 재난·구조, 방위산업 등 다양한 산업분야에 적용이 가능할 것으로 기대된다.

미래창조과학부(장관 최양희)는 김도환 숭실대 교수 연구팀과 정희태 카이스트 교수 연구팀이 공동으로 피부의 외부압력 감지 원리를 구현한 고분자 신소재 개발을 통해 ‘초고감도, 초저전력, 고신축성 전자피부’를 개발했다고 지난 4일 밝혔다.

현재 쓰이는 전자피부는 1kPa(킬로파스칼) 미만의 특정 압력 범위에서만 민감하게 반응을 한다. 인간의 피부가 수 kPa에서 MPa의 압력까지 인지하는 것과 대조적이다.

따라서 인간 피부와 같이 넓은 압력구간의 인지와 함께 감지 신뢰성, 고민감도를 겸비한 차세대 전자피부의 구현 기술에 대한 연구가 절실하게 필요한 실정이었다.

이에 연구진은 최근 2014년도에 규명된 포유류 피부의 대표적인 촉각수용체중의 하나인 메르켈 세포(Merkel Cell)를 구성하고 있는 Piezo2 단백질의 압력자극 센싱메커니즘을 직접적으로 모사한 ‘점-유탄성’이라는 특성을 이용했다.

연구진은 우선 화학적으로 하드 블록과 소프트 블록으로 구성된 열가소성 폴리우레탄 고분자를 설계하고, 이온성 액체와의 혼합을 통해 고투명, 점-유탄성 고분자 박막을 제조했고, 이를 기반으로 마이크로크기의 패턴 구조가 도입된 패치형 압전전기용량방식의 전기이중층 소자를 제작했다.

이 소자는 휘어지고 늘어나는 피부로서의 특성을 가지면서도, 지금까지 보고된 낮은 압력(<1kPa)에서만 민감하게 반응하는 기존 압력센서 기반의 전자피부와는 달리, 하나의 소자가 초저전력(1mV)으로 구동되고, 넓은 압력범위[Pa(기체의 흐름 혹은 소리파동)~MPa(물체의 하중)]의 자극을 정확하게 분별 가능하다.

터치 수준의 제한된 압력범위(kPa~MPa)에서 반응하는 포유류 피부의 촉각 인지능력을 뛰어넘는 인공피부임을 확인시켜준 성과이다.

이에 앞으로는 초고감도, 초저전력, 고신축성 전자피부가 부착된 차세대 소프트로봇이 촉각피드백을 통해 환자의 건강상태를 알려주거나, 정교하고 세밀한 수술을 하는 일 등이 가능해질 전망이다.

숭실대 김도환 교수는 “이번에 구현한 전자피부 기술은, 넓은 압력범위에서 선형적으로 고민감성이 요구되는 분야에서 기존 기술의 한계를 극복할 수 있는 신규 소재설계의 해법을 촉각세포의 압력감지원리에 대한 체계적인 이해를 바탕으로 제공했다는 점에서 학문적 의의가 크다”고 밝혔다.

이어 “이번에 제안된 과학적 성과는 차세대 플렉서블 디스플레이용 터치스크린뿐만 아니라 최근 이슈가 되고 있는 인간 촉각능력 이상을 요구하는 생체진단/치료 및 수술용 소프트 로봇과 같은 다양한 인간-로봇-환경 촉각인터페이스가 절실히 요구되는 보건, 의료 등 헬스케어시스템, 재난·구조, 방위산업 등 다양한 산업분야에 적용이 가능할 것으로 기대된다”며 연구의의를 설명했다.

한편, 이번 연구는 미래창조과학부 글로벌프런티어사업(나노기반 소프트일렉트로닉스연구단)과 기초연구사업(개인연구) 지원으로 수행됐으며 연구결과는 재료과학분야 세계적 국제학술지‘어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials)’ 2017년 30호 표지논문(Inside Front Cover)으로 4월4일 게재됐다. 관련 기술로 1건의 국내특허와 3건의 해외특허를 출원했다.