유기준·김종백 교수팀, 계산공학 기반의 고내구성 전자 피부 촉각 3차원 인터페이스 개발

인간 피부와 유사한 물성의 고해상도 촉각 센싱 인터페이스 개발

기존 유연 전자소자의 한계를 계산공학을 접목하여 해결

[사진 1. (왼쪽부터) 김종백 교수, 배규빈 연구원, 김규빈 연구원, 홍정훈 연구원, 유기준 교수]

전기전자공학과 유기준 교수와 기계공학과 김종백 교수 공동 연구팀이 소재 및 전기전자 분야에서 오랫동안 해결되지 않았던 고내구성 초박막형 전자 피부를 세계 최초로 개발했다.

연구팀은 신축성 있는 전자소자를 바탕으로 전자 피부를 개발하고, 계산공학 기법을 통해 고성능 촉각 인터페이스를 구현했다. 이 전자 피부는 사람의 팔에 부착한 상태에서도 안정적으로 작동하며, 글씨를 쓰거나 드론을 조종하는 등 다양한 인간-기계 인터페이스(HMI)에서 그 성능을 성공적으로 입증했다.

[사진 2. 신축성 전자피부 촉각 인터페이스의 개요 및 메커니즘]

전자 피부의 핵심 특징은 센서 영역이 균일한 전도성 실리콘으로 이루어져 있고, 배선이 외곽에만 위치해 있다는 점이다. 이를 통해 내부 전류 흐름을 분석해 임피던스 분포를 정확히 파악할 수 있으며, 일부 손상이 발생해도 정상적으로 작동할 수 있는 높은 내구성을 갖추고 있다.

기존 촉각 인터페이스는 높은 해상도를 위해 복잡한 다채널 어레이 구조를 사용했으나, 이러한 구조는 배선이 많아 물리적 변형에 취약하고 제작 공정이 복잡하다는 단점이 있었다. 특히, 배선 하나만 손상돼도 전체 시스템이 작동을 멈추는 문제가 존재했다.

연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 기존의 어레이 구조 대신 계산공학에 기반한 전자 피부와 3차원 촉각 인터페이스를 개발했다. 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT)를 정밀하게 패터닝한 후, 이를 실리콘과 네트워크와 연결해 전체 두께가 50μm에 불과한 초박막형 전자 피부를 제작했다.

[사진 3. 전기 임피던스 단층 촬영 기법 적용]

이 전자 피부는 외곽에 위치한 전극을 통해 전류를 주입하고, 전기 임피던스 단층 촬영(EIT) 기술을 활용해 내부의 전도성 변화를 실시간으로 모니터링할 수 있다. 이 기법은 CT나 MRI와 유사한 원리로 작동하지만, 실시간으로 변화를 측정할 수 있다는 점에서 강점을 가진다. 

연구팀은 이 기술을 전자피부에 적용해 높은 성능을 구현하는 데 성공했다. 이는 소자의 기계적·전기적 특성을 최적화하고 계산공학을 접목해, 실제 인간 피부와 유사한 전자피부를 제작한 융합 연구의 성과로, 차세대 인간-기계 인터페이스 기술 발전에 중요한 기여를 한 연구로 평가된다.

유기준 교수는 "앞으로 다양한 기능성 재료와 공정 확장을 통해, 재료, 기계 공학, 전자 공학 분야의 다양한 응용 분야에 적용될 가능성이 무궁무진하다."며, "특히 딥러닝 및 AI와 같은 컴퓨팅 기술의 발전과 함께, 계산공학을 가상현실 및 증강현실에 적용함으로써 기존 소자 연구의 한계를 극복할 수 있을 것"이라고 기대를 밝혔다.

한편 연구 결과는 사이언스 자매지이자 국제 융합연구 최고 권위지인 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances, IF=11.7)’에 9월 20일 게재됐다. 

논문정보

●논문 제목: Extremely durable electrical impedance tomography-based soft and ultra-thin wearable e-skin for three-dimensional tactile interface

● 논문 주소: https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adr1099