“물기 있어도 터치 구동” KAIST, 인간 촉각 닮은 ‘압력 센서’ 개발

물기 묻은 스마트폰 화면에서도 외부의 간섭 없이 안정적으로 작동하는 압력 센서가 국내에서 개발됐다. 이 압력 센서는 인간의 촉각 수준의

KAIST는 전기 및 전자공학부 윤준보 교수 연구팀이 비가 오거나 샤워를 마친 후 스마트폰 화면에 물이 묻었을 때 터치가 엉뚱하게 인식되는 '고스트 터치' 등의 외부 간섭을 받지 않으면서 높은 해상도로 압력을 감지할 수 있는 ‘나노 갭 압력 센서’를 개발했다고 10일 밝혔다.

(왼쪽부터) 윤준보 교수, 양재순 박사, (상단 왼쪽부터) 정명근 석박사통합과정, 성균관대 유재영 교수. KAIST 제공

터치 시스템으로 흔히 사용되는 정전용량 방식의 압력 센서는 구조가 간단하고, 내구성이 뛰어나 스마트폰과 웨어러블 기기, 로봇 등 ‘휴먼-머신 인터페이스(Human-Machine Interface)’ 기술에 폭넓게 활용된다.

하지만 정전용량 방식의 압력 센서는 물방울, 전자기 간섭, 굴곡에 따른 굽힘 등 외부 간섭 요소의 영향을 받아 오작동하는 문제를 피하기 어려웠다.

연구팀은 이 같은 문제를 해결하기 위해 우선 정전용량 방식 압력 센서에서 발생하는 간섭의 원인을 파악해 센서 가장자리에서 발생하는 ‘프린지 필드(Fringe Field)'가 외부 간섭에 극도로 취약한 것을 확인했다.

또 이 같은 문제를 근본적으로 해결하기 위해서는 프린지 필드를 억제해야 한다는 결론을 도출하고, 이론적 접근을 통해 프린지 필드에 영향을 미치는 구조적 변수를 집중적으로 탐구한 결과 전극 간격을 수백 나노미터(㎚) 수준으로 좁히면 센서에서 발생하는 프린지 필드를 수 퍼센트(%) 이하로 억제할 수 있다는 것을 밝혔다.

이를 토대로 연구팀은 독자적인 마이크로·나노 구조 공정 기술을 활용해 앞서 설계한 900㎚ 수준의 전극 간격을 갖는 나노 갭 압력 센서를 개발했다.

개발된 센서는 압력을 가하는 물질과 관계없이 압력만을 신뢰적으로 감지했으며 굽힘이나 전자기 간섭에도 감지 성능에 영향이 없는 것을 검증했다.

연구팀은 개발한 센서의 특성을 활용해 인공 촉각 시스템도 구현했다. 인간의 피부에는 메르켈 원반(Merkel's disc)이라는 압력 수용기가 압력을 감지하는 역할을 한다. 이를 모사하기 위해선 외부 간섭에는 반응하지 않고, 오직 압력에만 반응하는 압력 센서 기술이 필요하다. 하지만 기존에 개발된 기술로는 이러한 조건을 만족시키기 어려웠다.

반면 인공 촉각 시스템은 이러한 제약을 모두 극복한 것은 물론 밀도를 메르켈 원반 수준까지 끌어올려 무선으로 정밀한 압력 감지가 가능하다.

일련의 연구 성과를 기반으로 연구팀은 압력의 크기와 분포를 간섭 없이 높은 해상도로 얻을 수 있다는 사실도 검증했다.

윤준보 교수는 “이번 나노 갭 압력 센서는 비 오는 날이나 땀이 나는 상황에서도 기존 압력 센서처럼 오작동하지 않고, 안정적으로 동작한다는 것이 가장 큰 장점”이라며 “이는 많은 사람이 일상에서 겪어온 불편을 해소하는 역할을 할 수 있어 앞으로 로봇의 정밀한 촉각 센서와 의료용 웨어러블 기기, 증강현실(AR) 및 가상현실(VR) 인터페이스 등 다양한 응용 분야에서 활용할 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

한편 이번 연구는 한국연구재단의 중견연구지원사업과 선도연구센터지원사업의 지원을 받아 수행됐다. KAIST 전기 및 전자공학부 양재순 박사와 정명근 박사과정, 성균관대 반도체융합공학과 유재영 조교수(KAIST 박사 졸업)가 제1 저자로 수행한 이번 연구는 지난달 27일 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에서도 소개(출판)됐다.

대전=정일웅 기자 jiw3061@asiae.co.kr