누르는 힘에 따라 밝기가 달라지는 전자피부 개발- 이온성 발광소재를 통한 촉감의 시각화 기술이 성큼 다가오다

누르는 힘에 따라 밝기가 달라지는 전자피부 개발- 이온성 발광소재를 통한 촉감의 시각화 기술이 성큼 다가오다

작성일 2021-06-02 부서 기초연구진흥과

 

 

누르는 힘에 따라 밝기가 달라지는 전자피부 개발

- 이온성 발광소재를 통한 촉감의 시각화 기술이 성큼 다가오다 -

 

 

□ 누르거나 잡아당기는 자극의 세기에 따라 방출되는 빛의 밝기가 민감하게 변하는 전자피부 기술이 개발되었다.

 

     ※ 전자피부 : 온도, 습도, 압력 등을 감지하는 능력을 가짐으로써 사람의 피부와 유사한 기능을 나타낼 수 있는 탄력있고 부드러운 전자 장치

 

 ○ 기존 압력을 감지해 빛을 내는 등의 시각적인 되먹임(피드백)을 제공하는 전자피부는 압력의 감지장치와 이에 대응하여 빛을 내는 발광장치가 개별적으로 필요하며, 이들을 연결하는 복잡한 회로가 요구되었다. 또한, 압력이 가해지는 위치를 미세하게 구분하기 위해 감지장치와 발광장치를 높은 집적도로 배치하는 기술이 요구되었다 

 

□ 강문성 교수(서강대학교 화공생명공학과) 연구팀과 김도환 교수(한양대학교 화학공학과) 연구팀이 누르거나 당기는 등 힘의 변화를 빛의 미세변화로 응답하는‘스마트 발광형 전자피부’를 개발했다고 과학기술정보통신부(장관 임혜숙)가 밝혔다.

 

    ※ 교신저자 서강대학교 강문성 교수, 교신저자 한양대학교 김도환 교수, 제1저자 서강대학교 이종익 연구원, 제1저자 한양대학교 최한빈 연구원

 

 

□ 사용자의 입력(누르거나 잡아당기는)에 반응하여 실시간으로 눈으로 보이는 되먹임(피드백)을 제공하는 스마트 촉각인터페이스 기술은 유연한 터치스크린, 버튼 없는 디스플레이 등 차세대 사용자 친화적 실감형 기술 등에 유용하게 응용될 수 있다. 

 

 ○ 하지만 기존에는 사용자의 입력을 받아들이는 힘 감지기(센서)와 별도로 디스플레이 장치가 각각 필요하며, 이를 낮은 전력을 이용하여 구동하는데 한계가 있었다. 

 

 ○ 저전력 구동이 가능한 시스템의 경우에도 힘의 유무에 따른 정도만 구분을 할 뿐, 힘의 변화를 민감하게 포착하여 이에 상응하는 시각적 되먹임(피드백)을 제공하는 데에는 어려움이 있었다. 

 

□ 이에 연구팀은 바닷물의 흐름이 만드는 자극 등에 반응해 발광세기가 달라지는 해양 플랑크톤에 착안하여 신축성 있는 고분자 소재에 전기화학적 발광소재를 적용한 전자피부를 설계하였다. 

 

     ※ 전기화학적 발광소재 : 전기화학적 산화/환원 반응에 의해 빛을 낼 수 있는 양이온 혹은 음이온 소재

 

 ○ 누르는 부분에서만, 누르는 힘의 세기에 따라 소재에 포함된 이온의 분포 변화를 바탕으로 빛의 휘도(단위면적당 빛의 세기)가 달라지는 원리를 이용한 것이다. 

 

□ 이를 통해 개별적으로 구성된 감압장치와 발광장치, 그리고 이들을 연결하는 복잡한 회로 없이도 가해진 자극의 위치와 세기를 실시간 빛의 변화로 응답하는 얇은 필름 형태의 발광소재를 구현해 냈다.  

 

 ○ 이렇게 만들어진 전자피부는 사람의 손으로 만들어내는 다양한 범위의 압력(0~60kPa)을 다른 휘도의 빛으로 발광할 수 있었다. 

 

 ○ 또한, 개발된 전자피부는 늘리는 자극에서도 방출되는 빛의 휘도의 변화로 응답하였는데, 흥미롭게도 빛의 휘도는 늘리는 자극에 비례하여 증가하였다. 이는 기존 보고된 일반적인 전자피부의 시각적인 피드백과 다른 경향으로, 늘리는 자극의 세기를 쉽게 구분하는데 유리한 방식이다. 

 

□ 김도환 교수는“지금까지의 전자피부 분야에서 연구되지 않은 힘의 변화에 따른 발광층 내 이온 분포를 제어한 새로운 구동 방식을 제시한 데 큰 의미가 있다”라며

 

 ○ “유연한 터치스크린, 버튼 없는 디스플레이 등 사용자 친화적 실감형 기술로의 발전가능성을 토대로, 사물인터넷(IoT) 시대 사용자와 사물 간 시각적 촉각인터페이스 분야로의 응용이 기대된다”고 밝혔다.

 

□ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 개인기초연구(중견연구) 사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 재료과학 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 머터리얼스(Advanced Materials)’에 6월 2일 0시(한국시간 기준) 온라인 게재되었다. 

 

 

<참고자료> :   1. 주요내용 설명   2. 그림설명   3. 연구이야기    4. 연구자 소개

 

 

주요내용 설명

 

 <작성 : 서강대학교 강문성 교수, 한양대학교 김도환 교수>

 

논문명

Visco-Poroelastic Electrochemiluminescence Skin with Piezo-Ionic Effect

저널명 

Advanced Materials

키워드 

piezo-ionic effect(압이온효과), visco-poroelasticity(점-유탄성), electrochemiluminescence(전기화학발광), 포토닉 전자피부(photonic e-skin) 

저  자

강문성 교수(교신저자/서강대학교), 김도환 교수(교신저자/한양대학교), 이종익 연구원(제1저자/서강대학교), 최한빈 연구원(제1저자/한양대학교)

 

1. 연구의 필요성

 ○ 인간 친화형 착용가능(웨어러블) 전자기기 및 유연 소재 기반의 디스플레이, 의료용 기기, 로봇기술이 발전됨에 따라 사용자와 사물 간의 환경을 실시간으로 직접 시각화할 수 있는 전자피부 기반의 지능형(스마트) 촉각인터페이스 기술의 중요성이 대두됨

 ○ 종래의 시각적 되먹임(피드백) 기반 전자피부 기술은 외부 압력 또는 응력 등의 물리적 자극을 민감하게 감지하는 압력감지기(센서)와 감지된 신호를 영상으로 전환하는 디스플레이를 연결시킨 되먹임(피드백) 장치를 바탕으로 함. 두 기능단의 연결을 위해 추가적인 소자 및 복잡한 회로 사용이 불가피하며, 이에 저전력, 고민감도로 물리적 자극을 시각적으로 되먹임(피드백)하는 것에 한계가 존재함

 ○ 이러한 한계를 극복하기 위해 전기화학발광을 활용한 저전력 감압발광 기술이 보고된 바 있으나, 이는 매우 높은 압력변화에 제한적으로 반응하는 장치로 자극의 인지범위와 민감도에 한계가 존재함

 

2. 연구내용 

 ○ 본 연구에서는, 기존 감압발광형 촉각감지기(센서) 및 전자피부 기술이 채택하였던 물리적 형태변형 메커니즘이 아닌, 압력 및 응력 자극에 의한 고분자 나노구조의 유변학적 거동(점-유탄성, visco-poroelasticity)과 이때 발생하는 소재 내 이온 분포의 변화(압이온효과, piezo-ionic effect), 그리고 전기화학발광현상(electrochemiluminescence)의 상호작용 작동원리(메커니즘)을 통해 종래 기술의 자극 인지 범위와 민감도 한계를 원천적으로 극복함

 ○ 바닷물의 흐름이 만드는 자극에 의해 발광세기가 변하는 해양 플랑크톤의 생물발광원리에서 모티브를 얻음. 해양플랑크톤의 생물발광은 플랑크톤 내부의 이온의 전달현상 및 전기화학적 산화・환원 반응에 기초함. 이를 모사하기 위해 본 연구에서는 외부 자극에 의해 이온 전달현상 및 전기화학발광 현상이 변화할 수 있는 복합소재 전자피부를 개발함

 

 ○ 개발한 전자피부는 우수한 신축성을 갖는 고분자 소재, 고분자가 사이를 이동할 수 있는 이온성 전해질 소재, 그리고 전기화학적 과정을 통해 발광이 일어날 수 있는 이온성 발광소재로 이루어짐. 또한 망사형의 고분자 네트워크 구조 내에 전해질 및 발광성 소재를 도입하여 외부의 기계적 자극에 대해서 점-유탄성 변형을 보이는 특징을 가짐

 

     ※ 점-유탄성 : 유체를 함유한 고분자 매트릭스에서 보이는 탄성 거동으로, 유체 이동과 고분자 사슬의 변형에 의한 복합적 거동

 

 ○ 개발된 전자피부에 압력이나 인장 등과 같은 외부 자극이 인가되면 고분자 네트워크의 형태에 변형이 일어나고, 이에 네트워크에 포함된 이온종의 이동도 차이에 따라 그 배치가 재배열되어 전위가 형성되는 압이온 효과를 보임을 최초로 확인함 

 

 ○ 압이온 효과를 이온성 발광소재의 전기화학발광현상과 연계하여, 전자피부에 인가된 미세한 압력을 발광신호로 직접 시각화화는 기술을 개발함. 이를 통해, 압력(0~60kPa)과 응력(0~100%)의 미세한 변화에서도 자극의 직접적인 시각적 되먹임(피드백)이 가능한 새로운 개념의 촉각인터페이스용 포토닉 전자피부를 구현함

 

3. 기대효과

 ○ 기존 포토닉 전자피부 분야에서 연구되지 않은 새로운 방식의 시각적 되먹임(피드백) 방법이며, 이러한 고감도 전기화학발광형 포토닉 소재의 개발은 학술적/기술적 의의가 큼

 

 ○ 최근 사용자 편의성 증대가 중요한 유연한(플렉서블) 터치스크린, 버튼없는(버튼리스) 디스플레이 등의 소재로 응용되어 사용자-사물 간 직접적인 상호소통이 가능한 실감형 소자로서의 구현이 기대됨

 

그림 설명

 

 

 

 

 

(그림 1) 누르거나(압력) 잡아당기는(인장) 외부자극에 의해 빛의 휘도가 변하는 스마트 포토닉 전자피부 모식도 

(가) 누르는 힘이 작용하는 위치와 세기에 따라 방출하는 빛의 세기 미세한 차이를 보여 인가되는 자극을 시각적으로 피드백하는 전자피부 

(나) 넓은 압력범위(0~60kPa)와 인장(0-100%)에 따른 민감한 발광특성의 변화를 나타내는 포토닉 전자피부. 

출처 : 서강대학교 강문성 교수, 한양대학교 김도환 교수 

 

 

 

 

 

 

(그림 2) 힘의 변화에 따른 포토닉 전자피부 내부이온 분포 변화

압력(그림 아래의 왼쪽) 및 인장(그림 아래의 오른쪽)에 의한 고분자 나노구조의 유변학적 거동(점-유탄성)과 이때 발생하는 소재 내 이온 분포의 변화(압이온 효과)의 상호작용 작동원리(메커니즘)을 보여주는 모식도. 구성 이온의 이동도 차이에 의해 음이온이 상대적으로 빠르게 움직이고, 그 결과 형성되는 전하분포의 변화를  보여줌

※ 압이온 효과 : 외부에서 가해진 물리적 자극에 의해 각각의 이온이 움직이는 속도가 달라서 이온 분포의 변화가 발생하는 현상

출처 : 서강대학교 강문성 교수, 한양대학교 김도환 교수

 

 

연구 이야기

 

                 <작성 : 서강대학교 강문성 교수, 한양대학교 김도환 교수>

□ 연구를 시작한 계기나 배경은? 

 

미세한 촉감을 감지하는 센서의 집합체이자 동시에 유연성과 탄력성을 갖는 전자장치인 전자피부 (electronic skin, e-skin)는 웨어러블 디바이스 및 헬스케어 시스템 외에도 인간형 로봇 구현에 필요한 핵심장치로 큰 관심을 받고 있다. 초기의 전자피부 연구가 미세한 촉각 신호에 대한 감지 능력 자체를 극대화시키는 것에 초점을 맞추어졌다면, 최근 전자피부는 촉각적 자극을 민감하게 감지함과 동시에 이렇게 감지된 자극을 시각적 신호로 직접 표현하는 고도화된 형태로 발전하고 있다. 이를 위한 가장 범용적으로 시도되는 접근법은 많은 갯수의 고민감도 압력센서를 조밀하게 배치하고, 각각의 센서를 또한 조밀하게 배치된 초소형 발광장치와 연결시키는 것이다. 물론 감지하는 촉각적 신호의 공간적 분해능을 높이기 위해서는 보다 조밀한 센서 및 발광장치의 배열이 필요하며, 이를 위해 매우 정밀한, 그래서 불가피하게도 값비싼 장치 제작 공정이 요구된다. 또한, 기존에 보고된 전기화학발광 기반의 저전력 감압발광 장치 역시 단순한 압력유무에 따른 발광여부를 판단할 수 있거나 매우 높은 압력변화에 반응하는 장치로써 감압발광의 인지자극범위와 민감도의 한계점이 존재한다.  이러한 어려움에 대한 하나의 돌파구로 힘의 세기에 따라 제어될 수 있는 이온동역학 기술, 그리고 이에 따라 민감하게 변화하는 발광특성을 응용하여 시각적으로 피드백할 수 있는 새로운 스마트 포토닉 전자피부를 개발하였다.

 

 

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소는 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

 

당기거나 누르는 등의 외부에서 가해진 자극에 대한 고분자 소재의 기계적 거동과 유변학적 거동, 그리고 동시에 전기화학적 발광 반응에 대한 분석도 함께 필요로 하였다. 이에 고분자 공학과 전기화학공학을 연구하는 두 연구실의 긴밀한 협업을 통해, 실험 장비를 새롭게 고안하고 기존의 분석 방법을 개선한 결과 이와 같은 성과를 이룰 수 있었다.

 

 

□ 이번 성과, 무엇이 다른가? 

 

지금까지의 압력을 감지하고 시각적으로 피드백 할 수 있는 전자피부 기술은 물리적인 형태의 변형에 기인한 구동 메커니즘을 갖는다. 하지만 우리의 기술은 외부의 압력 및 응력 자극에 대하여 고분자 나노구조 및 이온이 어떻게 거동하는지에 대한 핵심 연구가 우선되었다. 그 결과 역학자극 하에서의 이온종들의 이동도 차이에 따라서 이온 분포가 달라지는 압이온효과를 규명할 수 있었다. 또한 압이온효과와 전기화학발광과 연계된 형태의 전자피부를 개발함으로써 감지 가능한 압력 민감도와 넓은 범위에서의 인지 가능성을 동시에 확보할 수 있었다.

 

□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는? 

 

본 연구에서 규명한 점유탄성 거동과 압이온효과는 소재의 설계에 따라 얼마든지 부드럽고 신축성이 있는 전자장비에 적용할 수 있다. 구성 소재의 종류 및 구조를 필요에 맞게 선택하여 구현이 가능하다는 특징에서 높은 실용화 가능성을 기대할 수 있다. 구체적으로 지능형 로봇, 스마트 디바이스, 유연 디스플레이, 헬스케어 디바이스 등으로의 적용이 가능할 것으로 예상한다. 특히, 최근 사용자 편의성의 증대를 위해 산업계의 많은 관심을 받고 있는 플렉서블 터치스크린, 버튼리스 디스플레이 등의 소재로 응용되어 사용자-사물 간 직접적인 상호소통이 가능한 실감형 촉각피드백 소자로서의 구현이 기대된다. 특별히 전자피부를 인체에 직접 적용하기 위해서는 생체 친화적인 소재를 사용해야하며, 구체적으로 인체에 어떠한 영향을 미치는지에 대한 체계적인 추가연구가 필요하다. 

 

 

 

 

 

연구자 소개

 

 

 

 

 

<강문성, 교신저자>

 

1. 인적사항

 ○ 소 속 : 서강대학교 화공생명공학과

 

 

 

 

 

2. 경력사항 

 ○ 2020 과학기술정보통신부 장관상(나노연구혁신상) 수상

 ○ 2019 ~ 현재 서강대학교 화공생명공학과 부교수

 ○ 2012 ~ 2019 숭실대학교 화학공학과 부교수/조교수

 ○ 2011 ~ 2012 서울대학교 물리 천문학부 박사후 연구원

 

3. 전문분야 정보

 ○ 전자 및 이온 소재 공학 (양자점, 고분자 및 전해질 소재, 소자 연구)

 

4. 연구지원 정보

 ○ 2021 ~ 현재 과학기술정보통신부 ․ 한국연구재단 기초연구사업(중견연구)

 ○ 2021 ~ 현재 과학기술정보통신부 ․ 한국연구재단 나노 및 소재기술개발사업(플랫폼형)

 ○ 2021 ~ 현재 과학기술정보통신부 ․ 한국연구재단 나노 및 소재기술 개발사업(특화형)

 ○ 2020 ~ 현재 과학기술정보통신부 ․ 한국연구재단 소재융합혁신기술사업

 ○ 2019 ~ 현재 과학기술정보통신부 ․ 한국연구재단 미래소재디스커버리사업

 

 

 

 

 

 

<김도환, 교신저자>

 

1. 인적사항

 ○ 소 속 : 한양대학교 화학공학과

 

 

 

 

 

 

2. 경력사항

 ○ 2017 ~ 현재 한양대학교 화학공학과 교수

 ○ 2012 ~ 2017 숭실대학교 유기신소재·파이버공학과 조교수

 ○ 2010 ~ 2011 미국 스탠퍼드대학교 박사후 연구원

 ○ 2006 ~ 2010 삼성종합기술원 책임연구원

 ○ 2021 한양대학교 HYU 학술상 수상

 ○ 2020 한국고분자학회 중견학술상 수상

 ○ 2020 과학기술정보통신부 이달의 과학기술인상 수상

 ○ 2016, 2017 과학기술정보통신부 10대 나노기술 선정

 

3. 전문분야 정보

 ○ 소프트 소재 및 소자 (유기고분자 네트워크 및 이온트로닉 소재, 소자 연구)

 

4. 연구지원 정보

 ○ 2020 ~ 현재  과학기술정보통신부 ․ 한국연구재단 기초연구사업(중견연구)

 ○ 2021 ~ 현재  과학기술정보통신부 ․ 한국연구재단 나노 및 소재기술개발사업(특화형)

 ○ 2021 ~ 현재  과학기술정보통신부 ․ 한국연구재단 나노 및 소재기술개발사업(미래기술형)

 ○ 2017 ~ 현재  과학기술정보통신부 ․ 한국연구재단 기초연구사업(선도연구센터)

 

 

 

 

<이종익, 제1저자>

 

1. 인적사항

 ○ 소 속 : 서강대학교 화공생명공학과

 

 

 

 

 

 

2. 경력사항

 ○ 2021 ~ 현재 그래피니드테크놀로지 선임연구원

 ○ 2018 IASSF 최우수 신진연구자 그룹토론 우수 발표자

 ○ 2018 한국전기화학회 우수포스터발표상

 

3. 전문분야 정보

 ○ 광전기화학 (광전기화학 반응 및 메커니즘, 전기화학 소자 연구)

 

 

<최한빈, 제1저자>

 

1. 인적사항

 ○ 소 속 : 한양대학교 화학공학과

 

 

 

 

 

 

2. 경력사항

 ○ 2021 학문후속세대지원사업 박사과정생 연구장려금 선정

 ○ 2021 BK21 첨단에너지소재 교육연구단 연구제안경진대회 최우수상

 ○ 2019 삼성전자 휴먼테크논문대상 금상 수상

 ○ 2019 한국고분자학회 우수포스터발표상 수상

 

3. 전문분야 정보

 ○ 고분자 광전자 공학 (생체모사형 이온트로닉 소재 및 소자 연구)