누르는 힘에 따라 밝기가 달라지는 전자피부 개발

- 이온성 발광소재를 통한 촉감의 시각화 기술이 성큼 다가와

누르거나 잡아당기는 자극의 세기에 따라 방출되는 빛의 밝기가 민감하게 변하는 전자피부1) 기술이 개발되었다. 기존 압력을 감지해 빛을 내는 등의 시각적인 되먹임(피드백)을 제공하는 전자피부는 압력의 감지장치와 이에 대응하여 빛을 내는 발광장치가 개별적으로 필요하며, 이들을 연결하는 복잡한 회로가 요구되었다. 또한, 압력이 가해지는 위치를 미세하게 구분하기 위해 감지장치와 발광장치를 높은 집적도로 배치하는 기술이 요구되었다
과학기술정보통신부(장관 임혜숙)와 한국연구재단(이사장 노정혜)은 강문성 서강대학교 화공생명공학과 교수 연구팀과 김도환 한양대학교 화학공학과 교수 연구팀이 누르거나 당기는 등 힘의 변화를 빛의 미세변화로 응답하는‘스마트 발광형 전자피부’를 개발했다고 지난달 2일 밝혔다.
  사용자의 입력(누르거나 잡아당기는)에 반응하여 실시간으로 눈으로 보이는 되먹임(피드백)을 제공하는 스마트 촉각인터페이스 기술은 유연한 터치스크린, 버튼 없는 디스플레이 등 차세대 사용자 친화적 실감형 기술 등에 유용하게 응용될 수 있다. 하지만 기존에는 사용자의 입력을 받아들이는 힘 감지기(센서)와 별도로 디스플레이 장치가 각각 필요하며, 이를 낮은 전력을 이용하여 구동하는데 한계가 있었다. 저전력 구동이 가능한 시스템의 경우에도 힘의 유무에 따른 정도만 구분을 할 뿐, 힘의 변화를 민감하게 포착하여 이에 상응하는 시각적 되먹임(피드백)을 제공하는 데에는 어려움이 있었다.
  이에 연구팀은 바닷물의 흐름이 만드는 자극 등에 반응해 발광세기가 달라지는 해양 플랑크톤에 착안하여 신축성 있는 고분자 소재에 전기화학적 발광소재2)를 적용한 전자피부를 설계하였다. 누르는 부분에서만, 누르는 힘의 세기에 따라 소재에 포함된 이온의 분포 변화를 바탕으로 빛의 휘도(단위면적당 빛의 세기)가 달라지는 원리를 이용한 것이다.
  이를 통해 개별적으로 구성된 감압장치와 발광장치, 그리고 이들을 연결하는 복잡한 회로 없이도 가해진 자극의 위치와 세기를 실시간 빛의 변화로 응답하는 얇은 필름 형태의 발광소재를 구현해 냈다. 이렇게 만들어진 전자피부는 사람의 손으로 만들어내는 다양한 범위의 압력(0~60kPa)을 다른 휘도의 빛으로 발광할 수 있었다. 또한, 개발된 전자피부는 늘리는 자극에서도 방출되는 빛의 휘도의 변화로 응답하였는데, 흥미롭게도 빛의 휘도는 늘리는 자극에 비례하여 증가하였다. 이는 기존 보고된 일반적인 전자피부의 시각적인 피드백과 다른 경향으로, 늘리는 자극의 세기를 쉽게 구분하는데 유리한 방식이다.
  김도환 교수는 “지금까지의 전자피부 분야에서 연구되지 않은 힘의 변화에 따른 발광층 내 이온 분포를 제어한 새로운 구동 방식을 제시한 데 큰 의미가 있다”라며 “유연한 터치스크린, 버튼 없는 디스플레이 등 사용자 친화적 실감형 기술로의 발전가능성을 토대로, 사물인터넷(IoT) 시대 사용자와 사물 간 시각적 촉각인터페이스 분야로의 응용이 기대된다”고 밝혔다.
  과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 개인기초연구(중견연구) 사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 재료과학 분야 국제학술지 ‘Advanced Materials’에 6월 2일 온라인 게재됐다.

[주요 연구내용]

1. 연구의 필요성

인간 친화형 착용가능(웨어러블) 전자기기 및 유연 소재 기반의 디스플레이, 의료용 기기, 로봇기술이 발전됨에 따라 사용자와 사물 간의 환경을 실시간으로 직접 시각화할 수 있는 전자피부 기반의 지능형(스마트) 촉각인터페이스 기술의 중요성이 대두되고 있다.
  종래의 시각적 되먹임(피드백) 기반 전자피부 기술은 외부 압력 또는 응력 등의 물리적 자극을 민감하게 감지하는 압력감지기(센서)와 감지된 신호를 영상으로 전환하는 디스플레이를 연결시킨 되먹임(피드백) 장치를 바탕으로 함. 두 기능단의 연결을 위해 추가적인 소자 및 복잡한 회로 사용이 불가피하며, 이에 저전력, 고민감도로 물리적 자극을 시각적으로 되먹임(피드백)하는 것에 한계가 있다. 이러한 한계를 극복하기 위해 전기화학발광을 활용한 저전력 감압발광 기술이 보고된 바 있으나, 이는 매우 높은 압력변화에 제한적으로 반응하는 장치로 자극의 인지범위와 민감도에 한계가 존재한다.

[그림 1] 누르거나(압력) 잡아당기는(인장) 외부자극에 의해 빛의 휘도가 변하는 스마트 포토닉 전자피부 모식도
(가) 누르는 힘이 작용하는 위치와 세기에 따라 방출하는 빛의 세기 미세한 차이를 보여 인가되는 자극을 시각적으로 피드백하는 전자피부. (나) 넓은 압력범위(0~60kPa)와 인장(0-100%)에 따른 민감한 발광특성의 변화를 나타내는 포토닉 전자피부.
(출처 : 서강대학교 강문성 교수, 한양대학교 김도환 교수)

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