[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

인공전자피부(electronic skin)는 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, 커페스턴스, 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 매우 높은 수준까지 도달하였지만, 센서에서 발생되는 전기적 신호에 대한 정보를 사용자가 읽고 받아들이기 위해서는 반드시 전기적 신호를 측정할 수 있는 기기, 신호변환, 회로 기술이 요구되는 문제점이 있다.

이에 따라 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 보고 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 신축성(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 force-touch screen, 음성 및 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 예상한다.

2. 연구내용

대표적인 변색형 고분자인 spiropyran은 초기에 투명한 색을 지니고 있고, 스트레인 및 압력과 같은 외부 변형에 의해 고분자 구조가 바뀌어 merocyanine 형태로 변형되면서 동시에 보라색을 띄게 된다. 기존 spiropyran은 merocyanine으로 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 spiropyran에 전달되는 stress를 증가시켜, 기존 변색형 고분자 복합 소재 대비 높은 민감도와 넓은 센서 범위, 그리고 높은 신축성을 가진 인공전자피부를 구현하였다.

계층적 마이크로/나노 구조는 다공성 구조의 마이크로 pore 내부에 높은 기계적 특성을 가진 실리카 (SiO2) 나노입자가 pore 벽면에 코팅되어 있는 형태로 구성되어 있다. 이러한 마이크로/나노구조는 서로 다른 modulus 특성을 가지고 있어 높은 modulus 차이에 의하여 외부 압력 대비 마이크로 pore와 실리카 나노입자 주변으로 높은 stress가 집중되는 것을 확인하였다. 높은 stress 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 stress에 의해 변형될 때, energy dissipation 효과에 의해 최대 400%의 높은 신축 특성을 가질 수 있다.

변색형 고분자 기반 인공전자피부는 pixel 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 stress 분포를 확인할 수 있는 motion 감지 인공전자피부로의 응용 연구를 진행하였다.

다공성 구조의 변색형 복합 소재는 탄성 소재인 PDMS (polydimethylsiloxane)을 matrix 소재로 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.

3. 기대효과

촉각을 시각화할 수 있는 인공전자피부는 다양한 발광 소재와의 결합을 통해 구현되고 있지만, 지속적으로 외부 전원이 공급되어야 하고 낮은 신축특성을 가지고 있는 한계점이 있다. 본 연구에서 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 공정을 기반으로 제조공정을 통해 대면적화가 가능하고 쉽게 다양한 형태로 제작할 수 있어 사용자에게 편리함과 실용성을 제공할 수 있는 웨어러블 소자로의 적용이 가능하다. 마찰 전기와의 복합화를 통한 이중 모드 인공전자피부는 정적/동적 압력을 독립된 신호를 통해 검출할 수 있기 때문에, 음성인식, force touch 센서, motion 센서 등의 다양한 응용 분야에 적용이 가능하다.

[붙임] 용어설명

1. 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, 본 연구에서는 spiropyran 고분자를 사용함. 무색의 spiropyran 고분자는 stress에 의해 merocyanine 형태로 변형되게 되면 보라색으로 색이 변화함.

2. 인공전자피부 (electronic skin): 사람의 피부을 모사한 전자소자를 일컫는다. 인공전자피부는 외부 물리적, 화학적, 기계적 자극을 다양한 전기적 신호로 변환하여 감지할 수 있다. 최근에는 전기적 신호 뿐만 아니라 광학적 신호를 통해 자극을 감지하는 센서도 포함한다.

3. 마찰전기 센서 (triboelectric sensor): 서로 다른 전하 특성을 가진 두 물질 간의 접촉에 의해 발생한 마찰 에너지에 의해 형성되는 마찰전기를 이용한 센서를 의미한다. 마찰 에너지는 마찰하는 두 물질 간의 전자친화도의 차이에 의해 다르게 형성되고, 접촉하면 면적 및 세기에 따라 다르게 형성되어 센서로 응용될 수 있다.

4. 응력 집중 효과 (stress concentration effect): 서로 다른 기계적 modulus를 가진 두 물체가 외부 자극이 가해질 경우, 계면에서 stress가 증가하는 현상을 일컫는다. 증가한 stress는 국부적인 crack 및 failure을 유발할 수 있다.

[붙임] 그림설명

그림 1. 계층적 마이크로/나노 구조 기반 변색형 고분자 복합 소재 (a) 계층적 마이크로/나노 구조 기반 변색형 고분자 복합 소재 원리 모식도. (b)계층적 마이크로/나노 구조 기반 변색형 고분자 복합 소재 사진 및 내부 구조 SEM 이미지. (c) 복합소재 구조에 따른 strain-stress curve 그래프. 다공성 마이크로 구조 내에 나노 입자가 복합화되어 있는 구조체에서 가장 높은 신축성을 가지고 있음을 보여준다.

그림 2. 변색형 고분자 복합 소재 구조에 따른 스트레인 대비 변색 특성 (a) 변색형 고분자 복합 소재 구조에 따른 스트레인 대비 변색 특성 이미지. (b) 100번 반복 측정에 따른 계층형 마이크로/나노 구조 기반 변색형 복합 소재 이미지. (c) 변색형 고분자 복합 소재 구조에 따른 스트레인 대비 color-coordination 그래프. 계층형 마이크로/나노 구조 기반 복합 소재가 마이크로 다공성 구조 및 평면 구조의 복합 소재 대비 넓은 영역의 색상 변화 특성을 가지고 있음을 보여준다.

그림 3. 변색형 고분자 복합 소재 구조에 따른 스트레인 대비 변색 특성 민감도 분석 및 stress 형성 시뮬레이션 결과 (a , b) 구조에 따른 스트레인 대비 변색 특성 변화율 그래프. 평면 구조는 150%, 마이크로 다공성 구조는 75-80%, 그리고 계층 구조 마이크로/나노구조는 50-55% 내에서 초기 색 변화가 관찰된다. (c) 구간에 따른 변색 민감도 비교 그래프. 전 구간에서 계층형 마이크로/나노구조체가 가장 높은 변색 민감도를 가지고 있음을 확인할 수 있다. (d) 복합 소재 구조에 따른 스트레인 대비 stress 분포 시뮬레이션 결과. (좌) 마이크로 다공성 구조 크기에 따른 결과 (우) 마이크로 다공성 구조 (5 μm) 기준 실리카 나노 입자 크기에 따른 결과

그림 4. 변색형 고분자 복합 소재 구조에 따른 압력 대비 변색 특성 (a) 변색형 고분자 복합 소재 구조에 따른 압력 대비 변색 특성 변화율 그래프. (b) 3N 미만의 압력 대비 변색 특성 변화율 그래프. (c) 수십 마이크로 미터 크기의 물체를 사용한 압력 대비 복합 소재 변색 특성 이미지. 수십 마이크로 미터의 크기의 압력을 높은 해상도로 검출할 수 있는 것을 확인함.

그림 5. 변색형 고분자 복합 소재 기반 인공전자피부 응용 (a) 변색형 고분자 복합 소재 기반 인공전자피부를 이용한 모션 감지 센서로의 응용 이미지. (b) 은나노와이어 플렉서블 전극과의 복합화를 통한 이중 모드 터치 센서 구조 및 결과 그래프. 변색 특성을 이용한 정적 압력 감지 특성 및 마찰전기 특성을 이용한 동적 압력 세기 측정 결과를 보여준다. (c) 마찰전기 기반의 동적 압력 감지 특성을 이용한 음성인식 센서 응용 결과.