전자피부는 웨어러블 소자, 헬스케어 및 의료용 기기, 로보틱스 등 다양한 분야에 적용될 수 있는 차세대 핵심기술이다. 최근에는 사용자와 전자기기간의 상호작용에 대한 관심이 커지면서 전자피부로 감지된 정보를 직관적으로 전달할 수 있는 정보의 시각화 대한 관심이 커지고 있다.
UNIST 에너지 및 화학공학부 고현협-백충기 교수팀은 듀크대 Stephen Craig 교수팀과의 함께 색상변화로 외부 자극을 효과적으로 표현 할 수 있는 인공전자피부를 개발하였다.
전자피부 재료로 사용되는 역학 변색형 고분자 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.
외부자극 여부에 따른 인공피부의 색 변화모습 | 사진: 고현협 교수팀 제공
공동연구팀은 복합 고분자 소재(PDMS, Spiropyran) 필름의 다공성 마이크로 구조화 및 나노입자(SNPs)의 도입을 통해 외부 자극에 대한 민감도 문제를 해결하였다.
복합소재에 미세한 구멍을 만들고(micro pore), 그 안에 기계적 강도가 높은 실리카 나노입자를 코팅하여 만들어진 이 인공전자피부는 외부 압력이 가해질 때 변색이 일어나는 Spiropyran에 전달되는 힘의 양을 증가시켜 반응 민감도를 높였다.
서로 다른 기계적 특성(연성, modulus)을 가지고 있는 경우, 기계적 특성의 차이에 의해 힘이 마이크로 포어와 실리카 나노입자 주변으로 집중되는 원리를 이용한 것이다. 또한 마이크로 포어와 실리카 나노 입자에 의한 에너지 분산 효과로 인해, 신축성이 기존 재료 대비 최대 400% 증가하는 효과도 얻었다.
연구진은 “변색 고분자의 외부자극 민감도 향상을 위한 기존 연구는 분자단위의 변형 수준에서 진행되어왔으며, 마이크로/나노 구조 변형을 통해 민감도를 향상시킨 연구는 최초”라고 전했다.
또한 이 고분자 복합 소재의 경우 PDMS소재를 기질(matrix)로 사용하고 있기 때문에 은나노와이어 기반의 투명전극과 융합을 통해 마찰전기 센서로도 사용될 수 있다. 마찰 전기와의 복합화를 통한 이중 모드 인공전자피부는 음성인식, 동작인식 센서 등 다양한 분야에 적용이 가능하다.
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.
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.
이번 연구 성과는 재료 분야 국제학술지인 ‘어드밴스드 머티리얼즈 (Advanced Materials)’에 5월 9일(목요일) 게재되었으며, 박종화UNIST 연구원, 이영오 UNIST 석박통합과정 대학원생, Meredith H. Barbee Duke university 박사과정 대학원생, 조수원 UNIST 석박통합과정 대학원생 이 공동 1저자로 참여하였다.
이 연구는 과기정통부 중견연구자지원사업, 글로벌프론티어사업(나노 기반 소프트일렉트로닉스연구단) 지원으로 수행됐다.
