색상변화로 촉각 전달하는 ‘변색형 인공전자피부’

[더케이뷰티사이언스] UNIST(울산과학기술원) 에너지 및 화학공학부 고현협, 백충기 교수팀이 듀크대 Stephen Craig 교수팀과 색상변화로 외부 자극을 효과적으로 표현 할 수 있는 인공전자피부(Electronic skin)¹를 개발했다. 전자피부는 헬스케어 및 의료용 기기, 웨어러블 소자, 로보틱스 등 다양한 분야에 적용될 수 있는 차세대 핵심기술이다. 최근 사용자와 전자기기간의 상호작용에 대한 관심으로 전자피부로 감지된 정보를 직관적으로 전달할 수 있는 정보의 시각화에 대한 관심 또한 커지고 있다. 이러한 전자피부의 재료로 사용되는 역학 변색형 고분자² 소재의 경우 가공성이 좋고, 별도 전원 공급 없이 외부자극에 따른 색상 변화가 나타난다는 장점이 있지만, 색상 변화가 나타나기 위해서는 강한 외부 자극이 필요하다는 문제점이 있었다.

공동연구팀은 복합 고분자 소재(PDMS, Spiropyran) 필름의 다공성 마이크로 구조화 및 나노입자(SNPs)의 도입을 통해 외부 자극에 대한 민감도 문제를 해결했다. 복합소재에 미세공(Micropore)을 만들고, 그 안에 기계적 강도가 높은 실리카 나노입자를 코팅하여 만들어진 이 인공전자피부는 외부 압력이 가해질 때 변색이 일어나는 스피로피란(Spiropyran)에 전달되는 힘의 양을 증가시켜 반응 민감도를 높였다. 이는 서로 다른 기계적 특성(연성, Modulus)을 가지고 있는 경우, 기계적 특성의 차이에 의해 힘이 미세공과 실리카 나노입자 주변으로 집중되는 원리를 이용한 것이다. 또한 미세공과 실리카 나노 입자에 의한 에너지 분산 효과로 인해, 신축성이 기존 재료 대비 최대 400% 증가하는 효과도 확인했다.

연구진은 “변색 고분자의 외부자극 민감도 향상을 위한 기존 연구는 분자단위의 변형 수준에서 진행되어왔으며, 마이크로·나노 구조 변형을 통해 민감도를 향상시킨 연구는 최초”라고 말했다. 이 고분자 복합 소재의 경우 PDMS 소재를 기질(Matrix)로 사용하고 있기 때문에 은나노와이어 기반의 투명전극과 융합을 통해 마찰전기 센서³로도 사용될 수 있다. 마찰 전기와의 복합화를 통한 이중 모드 인공전자피부는 음성인식, 동작인식 센서 등 다양한 분야에 적용이 가능하다.

이 연구의 제1저자인 박종화 박사후 연구원은 “직관적이고 직접적으로 정보를 전달할 수 있어 사용자가 접근하기에 더 용이할 뿐만 아니라, 외부 전원이 필요하지 않기 때문에 미래 웨어러블 디바이스 구현에 큰 도움을 줄 것” 이라고 전망했다.

교신저자인 고현협 교수는 “이번 성과는 복잡한 전기 신호 기반의 인공전자피부와 달리 시각적인 색깔 변화로 외부 자극의 세기를 검출할 수 있어 차세대 인공전자피부 기술에 대한 핵심적인 역할을 할 것”이라고 기대했다.

한편 이번 연구 성과는 재료 분야 국제학술지인 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’에 5월 9일 게재되었으며, UNIST 박종화 연구원, 이영오 석박통합과정 대학원생, Duke 대학 Meredith H. Barbee 박사과정 대학원생, UNIST 조수원 석박통합과정 대학원생 이 공동 1저자로 참여하였다. 이 연구는 과기정통부 중견연구자지원사업, 글로벌프론티어사업(나노 기반 소프트일렉트로닉스연구단) 지원으로 수행됐다.

연구배경

인공전자피부는 사람 피부처럼 외부에서 입력되는 물리적, 화학적, 기계적 자극을 전기적 신호로 변환하여 감지할 수 있는 전자 소자이다. 이러한 인공전자피부의 높은 센서 특성을 통해 최근에는 로보틱스, 헬스케어, 플랙서블 전자기기, 의료 및 재활 장치 등의 다양한 응용분야에 적용 가능한 차세대 핵심기술로 주목받는다.

현재까지 대부분의 인공전자피부는 전기적 저항, 전기용량(Capacitance), 압전과 같은 다양한 전기적 신호를 통해 압력, 스트레인, 온도와 같은 물리적 자극을 감지하는 형태로 구현되고 있다. 최근 전기적 신호 기반의 인공전자피부는 다양한 소재와 구조를 통해 민감도, 반응속도, 센서 감지 구간 같은 성능을 향상시키고, 여러 가지 센서 기능을 동시에 보유할 수 있는 다기능성 특성을 확보하는 방향으로 연구가 진행되어 왔다. 이러한 전기적 신호 기반의 인공전자피부의 센서 감지 특성은 인간 피부를 넘어선 높은 수준까지 도달했지만, 센서에서 발생되는 전기적 신호에 대한 정보를 사용자가 읽고 받아들이기 위해서는 반드시 전기적 신호를 측정할 수 있는 기기, 신호변환, 회로 기술이 요구되는 문제점이 있다. 이에 최근에는 센서 감지 정보를 사용자에게 시각적 정보로 제공할 수 있는 인공전자피부들이 보고되고 있다. 이러한 인공전자피부들은 센서에서 감지한 촉각 신호를 발광 소자(LED), 전기변색 고분자(Electrochromic materials)와 같은 소재를 통해 다시 빛 또는 색의 변화를 발생시켜 사용자가 직관적으로 촉각 신호의 세기 및 방향에 대한 정보를 얻을 수 있다. 하지만 이러한 발광 및 변색 소재는 지속적인 전원이 공급되어야 하는 문제점이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 다양한 변색 소재들에 대한 연구가 보고되고 있고, 그중에서도 외부 힘에 의해 고분자 구조가 변형되어 다른 색으로 변화하는 역학 변색형 고분자(Mechanochromic polymer)를 이용한 인공전자피부들이 보고되고 있다. 역학 변색형 고분자는 쉬운 가공성과 전원 공급 없이 물리적 변형에 따른 색상 변화가 뚜렷한 장점들을 보유하고 있지만, 역학 변색형 고분자의 구조가 바뀌기 위해서는 높은 힘이 요구되는 문제가 있어 민감한 인공전자피부를 구현하기 어려운 점이 있었다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 고분자의 분자 수준제어를 통해 외부 자극에 민감하게 반응하는 변색형 고분자 연구들이 보고되어 왔지만 그 색깔 변화 범위가 매우 국소적이고 제한적이다.

이번 연구에서는 기존 변색형 고분자 복합 소재의 분자 수준 제어가 아닌 마이크로·나노 구조체 제어를 통해 외부 스트레스가 쉽게 고분자에 전달될 수 있도록 제어하여 고감도의 역학 변색형 고분자 복합소재를 제작하였다. 변색형 고분자 복합 소재 내에 다공성 마이크로 구조·나노 입자를 계층적 구조체로 제어함으로써, 효과적으로 스트레스가 변색 고분자에게 전달될 수 있도록 하여 변색 민감도(Mechanochromic sensitivity)를 높이고 신축(Stretchability)을 증가시켜 다범위, 고감도 변색형 인공전자피부를 구현하였다. 또한, 은나노와이어 기반의 플렉서블 전극과의 융합을 통해 마찰전기(Triboelectric) 특성을 확보할 수 있어 이중 모드의 인공전자피부(Dual-mode electronic skin)로 응용이 가능하다. 이중 모드 인공전자피부는 변색 소재 기반의 정적 압력 감지 특성과 마찰전기 기반의 동적 압력 감지 특성을 동시에 확보할 수 있어 누르는 힘, 신축, 진동, 소리 등 다양한 외부신호 감지가 가능하고 변색형 포스 터치 화면(Force-touch screen), 음성 및 움직임(Motion) 센서로의 응용이 가능하다. 또한, 변색 소재 기반 센서부와 마찰전기 센서부 모두 외부 전원 없이 구동될 수 있어 향후 웨어러블 디바이스, 헬스케어 등의 다양한 응용 분야에 활용 가치를 높일 수 있을 것으로 예상된다.

연구내용

대표적인 변색형 고분자인 스피로피란은 초기에 투명한 색을 지니고 있고, 스트레인 및 압력과 같은 외부 변형에 의해 고분자 구조가 바뀌어 메로사이아닌(Merocyanine) 형태로 변형되면서 동시에 보라색을 띄게 된다. 기존 스피로피란은 메로사이아닌으로 변형되기 위해서 수십 MPa의 압력을 요구하게 되어 낮은 압력을 감지해야하는 인공전자피부로의 응용이 어렵다. 이번 연구에서는 계층적 마이크로·나노 구조(Hierarchical micro·nanostructure) 도입을 통해 외부 압력이 가해질 경우 스피로피란에 전달되는 스트레스를 증가시켜, 기존 변색형 고분자 복합 소재 대비 높은 민감도와 넓은 센서 범위, 그리고 높은 신축성을 가진 인공전자피부를 구현하였다.

계층적 마이크로·나노 구조는 다공성 구조의 미세공 내부에 높은 기계적 특성을 가진 실리카(SiO2) 나노입자가 미세공 벽면에 코팅되어 있는 형태로 구성되어 있다. 이러한 마이크로·나노구조는 서로 다른 모듈러스(Modulus) 특성을 가지고 있어 높은 모듈러스 차이에 의하여 외부 압력 대비 미세공과 실리카 나노입자 주변으로 높은 스트레스가 집중되는 것을 확인하였다. 높은 스트레스 집중 효과를 통해 계층적 마이크로·나노 구조 복합 소재는 기존 평면 구조 대비 최대 6배의 스트레인 민감도 향상을 나타내었고, 수직 압력에 대해서도 최대 6배의 초기 변색 구간의 단축 특성을 보여주었다. 또한, 계층적 마이크로·나노 구조는 외부 스트레스에 의해 변형될 때, 에너지 소멸(Energy dissipation) 효과에 의해 최대 400%의 높은 신축 특성을 가질 수 있다.

변색형 고분자 기반 인공전자피부는 픽셀 단위의 변색 소재를 사용하지 않기 때문에 매우 높은 해상도를 가질 수 있고, 마이크로·나노 구조에 의하여 기존 대비 기존 복합 소재 대비 빠른 반응 및 회복 속도를 보유할 수 있다. 이러한 특성을 이용하여 움직임에 따라 스트레스 분포를 확인할 수 있는 움직임 감지 인공전자피부로의 응용 연구를 진행하였다.

다공성 구조의 변색형 복합 소재는 탄성 소재인 PDMS(Polydimethylsiloxane)를 기질로 이용하고 있기 때문에 은나노와이어 기반의 투명 전극과의 융합을 통하여 마찰전기 센서로 사용될 수 있다. 이러한 특성을 이용하여 변색형 고분자 기반의 정적 압력 감지와 마찰전기 기반의 동적 압력 감지 특성을 동시에 보유할 있는 이중 모드 인공전자피부로 응용될 수 있다. 외부 자극이 가해질 경우, 변색 특성을 통해 누르는 압력의 세기와 위치를 시각적으로 확인할 수 있고, 마찰전기 특성을 통해 힘의 변화를 전기적 신호를 통해 정량화할 수 있어. 기존 힘의 위치만 추적할 수 있는 터치스크린 대비 높은 특성을 가지는 것을 확인할 수 있었다. 뿐만 아니라, 빠른 반응 속도의 마찰전기 기반 동적 압력 센서 특성을 활용하여 음성 인식 센서로도 응용될 수 있음을 확인하였다.

기대효과

촉각을 시각화할 수 있는 인공전자피부는 다양한 발광 소재와의 결합을 통해 구현되고 있지만, 지속적으로 외부 전원이 공급되어야 하고 낮은 신축특성을 가지고 있는 한계점이 있다. 이번 연구로 제안되는 변색 고분자 기반 인공전자피부는 고분자 구조의 변형을 통해 색상이 변화하는 특성을 이용하기 때문에 외부 전원이 요구되지 않고, 높은 신축 특성을 가지고 있어 웨어러블 및 신축성 소자에 활용성이 더 높다. 또한, 용액 공정 기반의 제조공정을 통해 대면적화가 가능하고 쉽게 다양한 형태로 제작할 수 있어 사용자에게 편리함과 실용성을 제공할 수 있는 웨어러블 소자로의 적용도 가능하다. 마찰 전기와의 복합화를 통한 이중 모드 인공전자피부는 정적·동적 압력을 독립된 신호를 통해 검출할 수 있기 때문에, 음성인식, 포스 터치 센서, 움직임 센서 등의 다양한 응용 분야에 적용이 가능하다.

1. 인공전자피부(Electronic skin)

사람의 피부를 모사한 전자소자. 인공전자피부는 외부 물리적, 화학적, 기계적 자극을 다양한 전기적 신호로 변환하여 감지할 수 있다. 최근에는 전기적 신호뿐만 아니라 광학적 신호를 통해 자극을 감지하는 센서도 포함한다.

2. 변색형 고분자(Mechanochromic polymer)

스트레인 및 압력과 같은 외부 stress에 의하여 고분자 구조의 형태, 배열 구조가 변형되면서 색이 변화하는 고분자를 말한다. 대표적으로는 Spiropyran, Diarylbibenzofuranone, Rhodomine 등이 있고, 이 연구에서는 Spiropyran 고분자를 사용함. 무색의 Spiropyran 고분자는 스트레스에 의해 Merocyanine 형태로 변형되게 되면 보라색으로 색이 변한다.

3. 마찰전기 센서(Triboelectric sensor)

서로 다른 전하 특성을 가진 두 물질 간의 접촉에 의해 발생한 마찰 에너지에 의해 형성되는 마찰전기를 이용한 센서. 마찰 에너지는 마찰하는 두 물질 간의 전자친화도의 차이에 의해 다르게 형성되고, 접촉하면 면적 및 세기에 따라 다르게 형성되어 센서로 응용될 수 있다.