한창수 교수(고려대학교) 연구팀이 인체의 감각기관을 원형에 가깝게 모사해 전원 없이 작동하는 초정밀 인공피부센서(Artificial Skin Sensor)를 개발했다고 과학기술정보통신부·한국연구재단이 밝혔다.
인공피부센서는 외부의 물리적인 접촉에 의해 전달되는 압력, 진동, 터치 등을 측정하는 센서이다. 이 연구는 국제학술지 어드밴스드 머터리얼스(Advanced Materials) 2월 9일에 게재됐다.
최근 압력 및 터치 센서가 의료, 자동차, 항공, 가전, 환경 등 다양한 분야에 활용됨에 따라 고민감 센서에 대한 관심이 높아지고 있으나, 현재까지 개발된 센서는 낮은 감도, 높은 구동전력 등의 문제를 가지고 있어 개선이 필요했다.
연구팀이 개발한 피부센서는 외부 자극에 의해 이온이 이동하면서 신호가 전달되는 원리를 이용함으로써 별도의 에너지원 없이 구동될 수 있으며, 자극에 대한 빠른적응(자극이 시작된 시점과 끝나는 시점에서만 반응신호가 발생하는 특성)·느린적응(자극이 시작돼서 끝나는 시점까지 연속적으로 반응신호가 발생하는 특성)의 두 가지 신호를 동시에 측정함으로써 혈압, 심전도, 물체 표면의 특징, 점자의 구별 등 매우 정밀한 감지 능력을 보였다.
한창수 교수는 “이 연구는 기존 실리콘 기반 방식과 다른 새로운 패러다임의 센서”라며, “생체신호 측정, 로봇피부의 성능 개발 및 개선에 기여하고, IoT와 연계해 무전원 고감도의 센싱 모니터링 체계를 구축해 다양한 산업분야에 적용될 것으로 기대된다”라고 연구 의의를 설명했다.
이 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 기초연구지원사업(개인·집단연구) 및 글로벌프론티어지원사업의 지원으로 수행됐다.
인공피부센서 작동 메커니즘과 시뮬레이션 결과
(A) 센싱메커니즘 개략도. PVDF 필름에서의 전압발생 및 이온채널 내부에서의 전압측정. 압전필름부, 이온채널부, 전극부로 나눌 수 있는 세 가지 회로연결도
(B) Comsol과 Spice로 시뮬레이션한 센싱 결과
(C) 압력인가시 Comsol로 시뮬레이션한 이차원적 이온분포도
(D) Comsol로 시뮬레이션한 이차원적 전압변화 분포도. 압력인가 범위 : 0.1~15kPa.
★ 용어 설명 ★
- 수용기(Receptor) : 외부의 자극이 들어왔을 때, 자극에 반응해 물리적, 화학적 방법으로 이온채널을 열리게 하거나 작동하게 하는 구조물을 말한다. 생체내에는 외부 자극에 대한 다양한 종류(화학적, 물리적, 기계적)의 수용기가 존재한다.
- 전해질(Electrolyte) : 용액에 녹은 상태에서 이온으로 쪼개져 전류를 흐르게 할 수 있는 물질로서, 이 연구에서는 세 가지 전해질을 사용함으로써 압력센서 특성의 다양성을 보여주었다.
- 피부 압력센서(Skin Pressure Sensor) : 외부의 물리적인 접촉에 의해 전달되는 압력을 측정하는 센서로 Pa(Pascal)를 단위로 사용하고 있다. 이 연구에서는 미세한 압력범위(<1kPa)에서는 저전력으로, 일정한 압력 범위(100~10,000Pa)에서는 무전원으로 압력을 센싱했다.
★ 연구 이야기 ★
Q. 연구를 시작한 계기나 배경은.
A. 기존의 센서에서 발견되는 여러 가지 문제점에 대해 고민하고 생각하던 중, 생체에서 발현되는 다양한 외부 힘에 대해서 미묘하면서도 정확하고 안정적인 반응을 보면서 이를 모방하거나 모사하면 새로운 패러다임의 센서를 개발할 수 있지 않을까 하는 기대로 연구를 시작하게 됐고, 인체의 오감 중 촉각과 관련되는 피부센서에 대해 생체의 이온채널 시스템 및 기능적 우월함을 모방해 이를 구현하고자 했다.
Q. 연구 전개 과정에 대한 소개.
A. 이 과제의 책임자인 고려대학교 한창수 교수는 중견연구자지원사업, 글로벌프론티어사업, 선도연구센터(ERC) 사업을 수행하며 생체모방형 이온채널 센서에 대한 광범위한 연구를 진행했다. 또한 나노채널, 나노패턴, 나노 유동현상, 그래핀 나노 멤브레인 등의 연구를 선도적으로 수행했다. 이 연구는 우리 연구실의 연구교수인 전경용 박사를 통해 수행됐다.
Q. 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소가 있었다면 무엇인지. 어떻게 극복(해결)했나.
A. 수용기, 전해질, 이온채널(나노, 마이크로 기공)의 인자로부터 구현되는 기본적 이온채널 시스템은 어느 정도 체계가 잡혀있었다. 그러나 자가구동할 수 있는 요소를 첨가하고, 전해질과 이온채널과의 물리적, 기계적 현상에 대해 매우 깊은 연구가 필요했다. 또한, 생체 피부신호와 유사한 두 가지 응답신호가 고기능 센서 구현에 있어서 왜 필요한가를 이해하고, 이를 실현하기 위해 어떤 방법으로 구현할지에 대한 아이디어를 얻는 것이 매우 어려웠으며, 생체시스템에 대한 보다 깊은 이해와 많은 실험적 시행착오를 거쳐 이를 해결했다.
Q. 이번 성과는 무엇이 다른가.
A. 기존 전기회로 방식의 반도체 센서와 달리 이온채널 기반 센서는 전기회로나 다른 부수적인 장치가 필요하지 않으며, 특히 무전원으로 매우 정교한 피부감각의 특성을 구현했다는 점이 매우 고무적이다. 또한 복합적인 자극을 동시에 다른 방식으로 측정해 자극을 구별하는 보다 명확한 신호를 얻을 수 있다는 것이 색다른 결과이다.
Q. 꼭 이루고 싶은 목표와 향후 연구계획은.
A. 향후 연구계획은 실질적으로 인체에 무해하게 부착하는 것은 물론 삽입이 가능한 혈압 및 심전도 측정용 무전원, 무선 센싱 모니터링 기술을 확립하는 것이다.
Q. 기타 특별한 에피소드가 있었다면.
A. 무전원에서 일정한 압력 인가시 두 가지 신호가 동시에 측정될 때 연구 호르몬이 왕성히 분배됐다.
