▲ 생체 피부감각기관 시스템과 인공 피부센서 신호발생 개략도.

인체는 여러 종류의 피부 감각 수용기(Receptor)를 통해 압력, 진동, 터치, 인장 등 다양한 감각을 동시에 측정하며, 특히 감각 수용기는 빠른적응과 느린적응의 두 종류 신호 발생을 이용해 복잡한 자극을 매우 명확하게 구별한다.

생체 피부감각기관을 모방한 다양한 형태의 압력 및 터치의 감지를 측정할 수 있는 무전원 고민감 센서에 관한 관심이 높아지고 있는 가운데 고려대 한창수 교수 연구진이 인체의 감각기관을 원형에 가깝게 모사하여 전원 없이 작동하는 초정밀 인공피부센서를 개발했다.

.연구진은 기존의 실리콘기반의 감지소자에서 발견되는 낮은 감도, 높은 구동전력, 높은 내부저항 등을 극복하고, 새로운 패러다임의 무전원 피부센서를 개발했다.

또 외부 자극을 동력원으로 이용하는 무전원 이온채널소자를 구현하였고, 동시에 빠른적응과 느린적응의 두 가지 신호유형을 동시에 얻음으로써 보다 정확하게 촉각 자극을 인지하는 것이 가능하다.

이러한 센서의 특성을 활용하여 혈압, 심전도, 물체 표면의 특징, 물건의 접촉 상황 인지, 점자의 구별 등 인체피부의 정밀한 감각을 유사하게 구현했다.

▲ 한창수 교수

연구진은 인체 혈압을 유추할 수 있는 맥박을 무전원으로 매우 정확히 측정하는 데도 성공하였으며, 이는 기존 생체신호측정에서 가장 큰 문제인 전원 및 고민감도 이슈를 획기적으로 해결한 사례이며, 특히 인체 감각기관과 유사한 속도로 측정됨을 확인했다.

이 외에도 압력과 진동이 동시에 들어오는 자극을 각각 구별할 수 있으며, 점자와 같은 신호를 읽고 구별하는 것이 가능함을 보여주었다.

연구진이 제안한 생체 피부감각기관 모사 인공피부센서는 수용기, 전해질, 이온채널 등의 세 가지 요소와 자체전력생산부인 압전필름을 알맞게 결합시켜 다양한 촉각 자극 상황에서 무전원 고민감도로 촉각 자극을 측정할 수 있음을 보여주었고, 이러한 다양한 요소 구성을 통해 센서 분야에서 새로운 패러다임을 제시하고 이 분야의 학문적 돌파구를 제시할 수 있을 것으로 기대된다.

한창수 교수는 “이 연구는 기존 실리콘 기반 방식과 다른 새로운 패러다임의 센서”라며, “생체신호 측정, 로봇피부의 성능 개발 및 개선에 기여하고, IoT와 연계하여 무전원 고감도의 센싱 모니터링 체계를 구축하여 다양한 산업분야에 적용될 것으로 기대된다”고 설명했다.

이 연구는 국제학술지 어드밴스드 머터리얼스(Advanced Materials) 2월 9일에 게재되었다.

( 논문명 : A Self-Powered Sensor Mimicking Slow- and Fast-Adapting Cutaneous Mechanoreceptors )