고려대 서병석·최원준 교수팀, 외부 전원·메모리 없이 시·공간 정보 기록 '촉각센서' 개발 … 헬스케어·보안인증 등 활용

고려대학교는 기계공학부 최원준, 서병석 교수 연구팀이 외부 메모리 장치 없이 접촉하는 순간의 시간 정보를 스스로 기록하는 촉각 센서를 개발했다고 28일 밝혔다.

차세대 웨어러블 기기의 기술적 토대가 마련됐다는 평가다.

이번 연구는 미국 노스웨스턴대학교 기계공학과 신치 첸 교수팀과 함께 진행했다.

촉각 센서는 로봇·웨어러블(착용) 기기·전자 피부 등 다양한 분야에서 활용된다. 기존 촉각 센서는 주로 접촉 위치와 같은 ‘공간 정보’만을 측정하며, 접촉 순서나 시간 간격과 같은 ‘시간 정보’는 외부 회로와 메모리 장치를 통해 따로 처리해야만 했다. 유연하고 생체에 적합한 고분자 기반 촉각 센서는 전기 신호 전달을 위해 별도의 전도성 물질이나 전극 구조가 필수적이었다.

연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 두 개의 절연체가 접촉한 소자에 기계적 자극만을 가해 ‘유사 전도성(MSPC) 채널’을 형성했다. 쉽게 말해 평소에는 전기가 흐르지 않는 두 물질을 맞닿게 한 뒤 힘을 가하면 접촉면에서 분자·전자 분포가 바뀌면서 잠깐 ‘전자가 이동하기 쉬운 상태’가 만들어져 전기가 흐를 수 있게 된다. 이 임시 통로는 시간이 지나면 사라진다. 이런 MSPC 채널의 특성(휘발성)을 이용해 접촉이 발생한 시점을 역산해 내재적으로 기록하는 것이다. 전기신호가 강하면 얼마 전에 물리적 접촉이 있었다는 의미이고, 신호가 약하면 접촉이 있은 지 오래됐다는 것으로, 이를 정밀 분석해 언제 접촉이 있었는지 거꾸로 추정한다.

이 과정에 필요한 두 개의 절연체는 연구팀이 개발한 ‘MSPC 유리도 지수(MFI)’로 도출할 수 있다. 해당 지표는 물질 고유의 전기적 특성 등을 종합적으로 분석해 MSPC 채널 형성 조건을 정량적으로 분석하고 예측한다. 이를 통해 도출된 조합이 신호 전달 과정에서 탁월한 성능을 보이며 유효성을 검증했다.

외부 전원, 메모리 소자, 복잡한 회로도 필요 없다.

이는 웨어러블 기기와 전자 피부 분야에서 활용도가 높을 전망이다. 인체 움직임이나 접촉 정보를 시간 정보와 함께 감지한다는 점에서 차세대 헬스케어, 인간-기계 인터페이스 기술에 적용할 수 있다.

또 접촉 위치는 물론 접촉 순서와 시간 간격까지 인식하므로 기존 패턴 기반 인증을 넘어선 보안·인증 시스템 분야로 확장도 기대된다.

서병석 교수는 “구조가 단순하며 에너지 효율성이 높아 경량화와 저전력화에 유리하며, 외부 전력 공급이 어려운 사물인터넷(IoT) 센서나 자가구동 시스템에도 적용할 수 있다”며 “향후 스마트시티, 로봇, 국방 등 다양한 첨단 산업 분야로 확장이 기대된다”고 말했다.

이번 연구 논문은 미국과학진흥협회(AAAS)가 발행하는 세계적 학술지 ‘사이언스’의 자매지인 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances·과학 발전)’에 지난 22일 온라인 게재됐다. 고려대 기계공학부 서병석 교수, 노도원 석·박사통합과정이 공동 제1저자, 노스웨스턴대 신치 첸 교수, 고려대 최원준 교수가 공동 교신저자로 각각 참여했다.

이번 연구는 한국 국방과학연구소의 미래도전국방기술사업, 한국연구재단 중견연구사업·선도연구센터사업, 한국산업기술평가관리원의 소재부품기술개발사업의 지원으로 이뤄졌다.