'숨결·압력·소리 감지' 3차원 전자구조 촉각 센서 개발

옅은 숨소리와 낮은 압력 그리고 작은 소리까지 정확하고 신속하게 감지할 수 있는 3차원 전자구조의 촉각 센서가 개발됐다.

촉각 센서는 로봇이 물체를 잡거나 의료기기가 맥박을 감지할 때 손끝에서 '눌림'을 감지하는 기술이다. 기존 센서는 반응이 느리거나 반복해 사용했을 때 정확도가 떨어지는 단점을 가졌다. 하지만 새롭게 개발된 촉각 센서는 이러한 한계를 극복한 혁신 기술로 평가받는다.

(왼쪽부터) 박인규 교수, 최중락 박사, 이돈호 박사과정, 한찬규 석사. KAIST 제공

KAIST는 기계공학과 박인규 교수 연구팀이 한국전자통신연구원(ETRI)과 공동연구로 기존 촉각 센서 기술의 구조적 한계를 극복한 '열성형 기반 3차원 전자구조(Thermoformed 3D Electronics·이하 T3DE)' 방식의 맞춤형 촉각 센서를 개발했다고 23일 밝혔다.

이 센서는 유연성과 정밀성, 반복 내구성을 동시에 확보했다. 특히 고무·실리콘 등 소프트 엘라스토머 기반의 기존 센서가 갖는 느린 응답속도와 높은 히스테리시스(똑같은 자극에도 결과가 항상 같지 않은 현상), 크립(오랫동안 힘을 가했을 때 재료가 천천히 변형되는 현상) 오차 등 구조적 문제를 극복한 동시에 다양한 환경에서 정밀 작동이 가능하다.

T3DE 센서는 2차원 필름 위에 정밀하게 전극을 형성한 후 열과 압력을 가해 3차원 구조로 성형하는 과정을 거쳐 제작된다.

센서 상부의 전극과 지지 다리 구조는 목적에 따라 기계적 물성을 조절할 수 있도록 설계됐다. 또 지지 다리의 두께, 길이, 개수 등 미세한 구조 매개변수를 조정함으로써 센서의 영률(Young's modulus)을 10Pa에서 1MPa까지 폭넓게 설정할 수 있게 한다.

영률은 재료의 강성을 나타내는 지표로 공동연구팀은 다양한 생체조직과 일치하는 수준까지 조절할 수 있게 했다. 이는 피부, 근육, 힘줄 등 생체조직과 유사해 실제 생체 인터페이스용 센서로 활용될 가능성을 점치게 한다.

T3DE 센서는 공기를 유전체로 활용해 전력 소비를 줄이는 동시에 민감도, 응답속도, 온도 안정성, 반복 정밀도 측면에서도 우수한 성능을 보였다.

실제 공동연구팀은 총 2800개의 센서로 운동 중 발바닥의 압력 분포를 실시간 시각화하고, 손목 맥박 측정을 통한 혈관 건강 상태 평가 가능성을 확인했다. 또 상용 음향 센서 수준의 소리 감지 실험에서도 성공적인 결과를 얻었다. T3DE 센서로 압력, 맥박, 소리를 정확하고 빠르게 측정할 수 있는 것을 확인한 것이다.

공동연구팀은 T3DE 기술을 증강현실(AR) 기반 외과 수술 훈련 시스템에도 적용했다. 센서별 요소마다 서로 다른 영률을 부여해 실제 생체조직과 유사한 강성을 구현하는 방식이다.

이를 통해 수술 절개 때 가해지는 압력 강도에 따라 시각·촉각 피드백을 동시에 제공하고, 너무 깊이 베거나 위험한 부위를 건드리면 실시간 위험성을 경고하는 기능의 시스템 구현이 가능했다는 게 공동연구팀의 설명이다. 이는 의료 교육의 몰입도와 정확성을 획기적으로 향상할 수 있는 기술로도 평가받는다.

박인규 교수는 "이 센서는 설계단계부터 정밀하게 조절이 가능해 다양한 환경에서 안정적으로 작동할 수 있는 장점이 있다"며 "일상생활은 물론 의료, 재활, 가상현실 등 분야에서도 유용하게 쓰일 수 있을 것으로 기대한다"고 말했다.

한편 이번 연구는 박인규 교수가 전체 연구를 총괄하고 ETRI 최중락 박사, KAIST 한찬규 석사, 이돈호 박사과정이 공동 제1 저자로 참여해 진행됐다. 연구 결과는 '사이언스 어드밴시스(Science Advances)' 지난 5월호에 게재됐으며, 해당 논문은 사이언스 어드밴시스 공식 SNS 채널을 통해서도 소개됐다.

대전=정일웅 기자 jiw3061@asiae.co.kr