사진. 포항공과대학
포항공과대학(이하 포스텍) 신소재공학과·IT융합공학과 정성준 교수, IT융합공학과 조영민 박사(現 한국화학연구원) 연구팀이 UNIST(울산과학기술원) 고현협 교수 연구팀과의 공동 연구를 통해 압력과 온도를 동시에 감지하는 3차원 반도체 소자 기반의 다기능 센서 어레이를 개발했다. 이번 연구는 과학 분야의 국제 학술지 중 하나인 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’ 온라인판에 최근 게재됐다.
전자 피부가 실제 사람 피부처럼 정교한 감각 기능을 발휘하려면 압력과 온도를 동시에 독립적으로 측정할 수 있어야 한다. 기존의 반도체 기반 센서는 반도체 소자 특성상 온도변화에 따라 측정된 자극의 값이 달라지는 근본적인 문제가 있었다. 그로 인해 실온이 아닌 환경에서는 압력과 온도를 정확하게 구별해 측정하기 어려웠다.
이번 연구에서 포스텍과 UNIST 연구팀은 두 개의 반도체 소자를 적층한 3차원 구조로 이를 해결했다. 아래층 소자는 온도의 변화에 따라 전기적 특성이 달라지는 원리를 활용해 온도를 감지하고, 위층에는 압력에 따라 저항이 달라지는 압력 감지 시트를 결합해 압력을 측정하도록 설계했다. 이 복합 구조는 온도와 압력을 동시에 감지할 뿐 아니라, 온도 데이터를 이용해 온도의 영향을 보정함으로써 주변 환경의 온도에 상관없이 정확한 압력 측정을 가능하게 했다.
연구팀은 이를 바탕으로 대면적 3차원 센서 어레이를 구현했으며, 2차원 공간에서 압력과 온도를 동시에, 그리고 정확하게 감지하는 데 성공했다. 특히, 온도변화에 따라 성능이 달라지는 반도체 센서의 근본적 한계를 극복하고, 다양한 온도에서도 가해진 압력을 정확하게 측정하는 뛰어난 성능을 입증했다.
이 기술은 산업적으로도 활용 가능성이 매우 높다. 센서를 로봇팔에 부착하여 물체를 들어 올리는 실험에서 연구팀은 3차원 다기능 센서가 정확히 측정한 물체 온도와 압력을 바탕으로, 일정한 힘을 가해 안정적으로 물건을 들어 올릴 수 있음을 확인했다.
정성준 교수는 “이번 3차원 반도체 기반 센서 연구를 통해 여러 지점에서의 온도와 압력을 동시에 측정할 수 있는 기술을 증명하였다”라며, “이를 바탕으로 온도와 압력 감지 기능을 갖춘 인공 피부 또는 다양한 온도의 환경에서 정밀한 작업을 수행하는 로봇팔 등의 개발이 가능해질 것”이라는 기대를 전했다.
한편, 이 연구는 과학기술정보통신부 중견연구사업과 나노소재기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다.
