[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

인공전자피부, 인공 목소리, 인공 코 같이 사람의 감각기관을 모사한 다양한 전자소자들이 개발돼 세계적으로 주목받고 있다. 이런 전자소자는 로보틱스(Robotics), 플렉시블(Flexible) 전자기기, 헬스케어 모니터링(Healthcare Monitoring), 센서(Sensor) 산업 등에서 핵심기술로 다양한 산업에 걸쳐 그 활용도가 크다.

특히 생체신호 중 하나인 사람의 목소리는 미래 유망산업인 사물인터넷(IoT), 인공지능, 로봇산업 등에서 사용자와 기기 간 소통을 위한 새로운 ‘유저 인터페이스(User Interface)’를 구현할 핵심 수단이다. 지금까지 다양한 형태로 소리를 감지 또는 출력할 수 있는 음향기기들이 개발돼 사물인터넷, 인공지능 스피커, 음성지문보안, 로봇 제어 등 4차 산업 기술에서 중요한 역할을 해왔다.

최근에는 플렉시블 전자기기들의 개발이 진행되면서 소리를 입‧출력할 수 있는 음향소자에서도 휴대성과 유연성, 소형화 등이 요구되고 있다. 기존의 딱딱한 형태의 마이크로폰 또는 스피커의 한계를 뛰어넘고자 종이처럼 얇으면서도 압전(Piezoelectric), 마찰전기(Triboelectric) 등의 특성을 이용해 배터리 없이 자가구동이 가능한 플렉시블 음향소자들이 다양한 세계적인 연구팀에서 개발되고, 관련 연구들이 지속적으로 학계에 보고되고 있다.

하지만 기존 플렉시블 음향기기의 자가구동, 고성능화, 다기능화 등의 기술진보에도 불구하고 차세대 웨어러블(Wearable)/신체부착형 전자소자로 활용하기에는 여전히 휴대성, 소형화, 유연성 등의 전자소자의 외형적인 측면에서 한계가 있다.

이번 연구에서는 이런 한계점을 보완하고자 나노 단위 두께의 매우 얇은 막을 활용해 음향소자(마이크로폰, 스피커)를 각각 제작했다. 이 소자는 작은 압력과 진동을 민감하게 감지할 뿐만 아니라 피부에 자연스럽게 부착할 수 있어 차세대 웨어러블 전자기기에 다양하게 활용할 수 있다.

2. 연구내용

일반적으로 나노막(Nanomembrane)은 접착성과 무게, 유연성, 표면적 측면에서 다양한 장점을 가져 고민감도, 다기능성을 요구하는 전자소자 분야에서 활용도가 매우 크다. 하지만 기존의 나노막은 기계적 특성이 취약하거나, 쉽게 부서지기 때문에 전자소자에 활용하기 어려웠다.

이를 극복하고자 기존의 나노막에 ‘정렬된 은 나노와이어 네트워크 구조(Orthogonal Silver Nanowire Arrays) 구조’를 도입해 투명하면서 전기전도성을 가지는 복합체 기반 나노막으로 개발했다. 이를 응용해 피부에 문신처럼 붙일 수 있는 스피커를 제작했다. 이 스피커는 열음파(Thermoaccustic) 방식으로 소리를 출력한다. 또 마찰전기 방식으로 구동이 가능하도록 센서 소자 구조를 설계해 전도성 나노막을 통해 사람의 목소리를 감지할 수 있는 마이크로폰도 제작했다.

재료적인 측면에서는 정렬된 은 나노와이어 네트워크와 고분자 나노막의 복합화를 통해 기계적 강도뿐 아니라 연성도 크게 향상된 전도성 나노막 제조 기술을 개발했다. 이 전도성 나노막은 100나노미터(㎚, 1㎚는 10억 분의 1m) 정도의 매우 얇은 두께에 기인해 사람 피부나 손가락 지문과 같은 3차원의 굴곡진 형태에도 표면을 따라 자연스럽게 달라붙을 수 있다. 따라서 ‘전자문신’과 같은 형태로 다양한 웨어러블 소자에 활용 가능하다.

개발된 소재의 활용 가능성을 보이기 위해 전도성 나노막에 함몰돼 있는 은 나노와이어 네트워크의 줄 발열(Joule Heating) 특성을 이용해 열음파 방식으로 소리를 출력하는 투명한 스피커를 개발했다. 줄 발열은 금속에 교류 전류를 흘려줬을 때 온도가 높아지는 현상이다. 이때 주변 공기가 팽창하면서 진동을 일으켜 소리를 발생시킬 수 있다. 이 스피커 소자는 기존 열음파 방식의 스피커보다 매우 얇은 두께를 가져 열손실을 최소화할 수 있어 소리의 출력 성능을 크게 향상시킬 수 있다.

또 외부 압력에 대해 은 나노와이어 나노막이 반응해 마이크로 패턴을 가지는 PDMS 필름과의 미세진동과 접촉을 통해 마찰전기를 발생시켜 미세한 소리 압력도 매우 민감하게 감지하는 마이크로폰 소자 구조를 설계했다. 개발된 마이크로폰은 외관상으로 투명할 뿐 아니라 피부에 자연스럽게 부착시킬 수 있다. 또 자가구동방식으로 배터리가 필요 없을 뿐 아니라 나노막의 미세진동을 이용해 고민감도를 구현할 수 있다.

실제 사람 목소리에는 고유한 음성 주파수 패턴이 있다. 이를 이용하면 개인 식별이 가능해 음성보안시스템도 활용할 수 있다. 이번에 개발한 웨어러블 음성인식 센서는 압력에 매우 민감한 나노막 덕분에 사람 목에 부착하면 성대의 떨림까지도 감지할 수 있다. 이번 연구에서는 센서로 수집한 목소리의 전기적 신호를 푸리에 변환 처리를 통해 서로 다른 사람의 목소리 주파수 패턴까지도 구별해냈다. 이러한 센서 특성을 특정한 사용자의 목소리만을 구별할 수 있는 음성보안시스템에 적용하고 일반적인 마이크로폰과의 성능을 비교한 결과 월등한 수준을 보여 나노막 기반 음성인식 센서의 실용화에 대한 가능성을 높였다.

3. 기대효과

이번 연구에서 소개된 기계적 특성이 강화된 투명 전도성 나노막은 상업적으로 적용이 가능한 은 나노와이어 기반 제조기술로서 대면적화, 대량생산이 가능할 것으로 기대된다.

이번 논문에서 소개된 음향소자로 응용하는 것 외에도 웨어러블 태양전지, 신체부착형 디스플레이, 헬스케어 모니터링 센서 등의 다양한 산업에 적용 가능한 융합 원천 소재기술로서 향후 추가적인 연구개발을 통해 지속적으로 성장할 것으로 보인다.

[붙임] 용어설명

1. 사이언스 어드밴시스(Science Advances)

미국과학진흥협회(American Association for the Advancement of Science, AAAS)에서 발행하는 다학제 분야(Multidisciplinary)를 다루는 세계적인 권위지인 사이언스(Science)의 자매지이다.

2. 은 나노와이어(Silver nanowire)

나노미터(㎚) 단위의 단면 지름 크기를 가지는 은 극미세선을 말한다. 높은 종회비로 매우 유연할 뿐만 아니라 높은 전기전도도를 가지고 있다. 투명전극, 레이저, 트랜지스터, 메모리, 화학감지용 센서 등 다양한 분야에 활용된다.

3. 나노막(Nanomembrane)

나노막은 나노미터(㎚) 단위의 두께를 가지는 막(membrane)을 총칭하는 것으로 기존 마이크로 크기의 물질과 비교했을 때 높은 표면적, 고민감도, 유연성 등의 다양한 기능을 특징으로 갖는다. 나노막은 첨단 신재료 기술에 속한다.

4. 푸리에 변환(Fourier transform)

푸리에 변환은 특정 시간에 따른 신호(signal)를 진동수의 성분으로 분해(decomposition)하는 수학적 기법의 한 종류이다. 즉, 시간에 따른 함수를 주파수(frequency)에 따른 함수로 변환하는 조작을 말한다. 일반적으로 신호 해석, 화상처리, 통신 제어 등의 분야에 널리 쓰인다.

5. 열음파 스피커(Thermoacoustic loudspeaker)

교류 전류를 이용해 금속을 급격히 가열하고 냉각시키면서 발생하는 열적 변화를 통해 주변 공기를 팽창하고 수축시켜서 소리를 발생시키는 현상을 말한다. 참고로 기존 스피커는 움직이는 코일 또는 막을 이용해 공기를 앞뒤로 밀면서 기계적인 진동으로 소리를 생성한다.

6. 마찰전기

두 가지 물체가 서로 접촉-분리하면서 생기는 표면 전하의 불균형으로 만들어지는 전기 신호를 말한다. 서로 다른 물체가 접촉할 경우 각 물체의 음전하와 양전하가 이동하게 되고, 서로 분리될 때 전하 불균형이 생기게 된다. 이러한 전하 불균형으로 인해 전자가 이동하면서 전류를 생성시키는 현상을 말한다.

[붙임] 그림설명