핵심내용
‘냄새 맡는’전자피부 개발
- 차세대 플렉서블 디스플레이 및 웨어러블 기기 등 적용 확대 기대 -
□ 미래창조과학부 글로벌프런티어 「나노기반 소프트일렉트로닉스연구단」은 촉각, 온도, 습도는 물론, 인간의 피부가 감지할 수 없는 다양한 유해가스 및 유기용매 등을 분별하는 후각 기능이 보완된 ‘냄새 맡는 전자피부’를 세계 최초로 개발하였다고 밝혔다.
o 연구진이 개발한 전자피부는 ‘전기용량’이라는 특성을 이용한 것으로,
- 전기용량이란 물체가 전기를 저장할 수 있는 능력을 말하며, 연구진은 압력, 터치와 같은 촉각뿐만 아니라, 온도 및 습도, 유해가스 및 유기용매에 의해서도 전기용량이 변화한다는 점에 착안하였다.
o 연구진은 우선 화학기상증착법*(CVD)를 통해 전기전도도와 탄성이 높은 탄소나노튜브 섬유를 합성하였고, 이를 기반으로 착용형(웨어러블) 압전전기용량(piezo-capacitive) 방식**의 소자를 만들었으며,
* 화학기상증착법: 기체 상태의 물질을 피복하고자 하는 소재의 표면에 흐르게 하여 화학반응을 통해 얇은 막을 형성(증착)하는기술
** 압력에 따른 전기용량의 변화를 이용하는 방식
- 이 소자는 휘어지고 늘어나는 피부로서의 특성을 가지면서도, 지금까지 보고된 촉각 감지 중심의 전자피부와는 달리 하나의 소자가 촉각과 후각을 동시에 감지 가능함을 확인하였다.
□ 전자피부(e-skin)는 웨어러블 건강진단기기, 감각을 느끼는 디스플레이, 다기능성 로봇 피부 등 응용 분야가 다양하기 때문에 최근 많은 관심을 받고 있는 연구분야이다.
o 그러나 보고된 대부분의 전자피부들은 압력, 응력, 터치와 같은 촉각형 자극에 대한 민감성 향상에만 초점을 두고 있어서, 생리학적으로 촉각형 자극뿐만 아니라 온도와 습도변화를 복합적으로 감지하는 인간의 피부를 모방하는데 큰 한계점을 가진다.
□ 연구를 주도한 숭실대 유기신소재‧파이버공학과 김도환 교수는 “이번에 개발한 착용형 ‘냄새 맡는 전자피부’는 미세한 물리적인 변형(압력, 응력)에 의한 전기용량의 변화를 감지할 수 있을 뿐만 아니라,
o 터치 혹은 유해가스 및 유기용매의 미세한 변화를 감지하여 사용자 주변 환경 및 생체신호를 진단할 수 있다는 점에서 향후 차세대 플렉서블 디스플레이, 극한 환경 및 사고 감지용 스마트 로봇피부 등 인간 친화적 전자기기 구현을 위한 원천기술로 응용되어 큰 부가가치를 창출할 것으로 기대된다”고 연구의의를 밝혔다.
□ 숭실대 김도환 교수, 박사과정 김소영 연구원, 정영진 교수 연구팀이 주도한 이번 연구는 미래창조과학부 글로벌프런티어사업(나노기반 소프트일렉트로닉스연구단)과 신진연구자지원사업의 지원으로 수행되었고,
o 연구결과는 재료과학분야 세계적 국제학술지 ‘어드밴스드 머터리얼스(Advanced Materials)’ 2015년 28호 표지논문(Front Cover)으로 게재 예정(7월말)이며, 현재 연구팀은 관련 기술로 2건의 국내특허를 출원한 상태다.
* 논문제목: Highly Sensitive and Multimodal All-Carbon Skin Sensors Capable of Simultaneously Detecting Tactile and Biological Stimuli(온라인 게재: ’15.6.11)
상세내용
연 구 결 과 개요
1. 연구배경
최근, 웨어러블 헬스모니터링, 촉각 혹은 햅틱디스플레이, 그리고 스마트 로봇피부와 같은 인간친화형 소프트 일렉트로닉스 분야의 응용을 위해 스트레쳐블 전자피부(e-skin)가 큰 관심을 받고 있다. 그러나 기존의 전자피부들은 대부분 압력, 응력, 터치와 같은 촉각형 자극에 대한 민감성 향상에만 초점을 두고 있어서, 생리학적으로 촉각형 자극뿐만 아니라 온도와 습도변화의 복합감지를 통해 상대방의 감정을 인지하는 인간의 피부를 모방하는데 큰 한계점을 가진다. 더 나아가 인간의 피부 기능을 넘어선 사용자 환경감지 기능이 보완된 슈퍼전자피부 개발이 요구되고 있는 실정이다.
2. 연구내용
본 연구에서는 건식방법의 CVD를 통해 합성된 고전도성, 고탄성 탄소나노튜브 마이크로섬유 및 탄성고무 기반의 웨어러블 압전전기용량(piezocapacitive) 방식의 소자를 통하여 인간의 피부와 같이 촉각, 온도, 습도를 동시에 센싱하는 스마트 전자피부를 개발하였다. 더 나아가 인간의 피부가 센싱할 수 없는 다양한 유기용매를 분별하는 후각기능이 보완된‘냄새맡는 전자피부’를 최초로 제안하였다. 이번에 개발한 냄새맡는 웨어러블 전자피부는 미세한 사용자 반응형 물리적인 변형(압력, 응력)에 의한 전기용량의 변화를 감지할 수 있을 뿐만 아니라, 터치 혹은 유해가스 및 유기용매의 쌍극자 모멘트에 따른 프린지 전기용량의 변화를 감지하여 사용자 환경 및 생체신호를 진단할 수 있다.
3. 기대효과
사용자의 촉각감지와 사용자의 주변 환경감지가 동시에 가능한 신개념의 복합감지형(촉각센싱과 후각센싱) 웨어러블 전자피부가 개발됨에 따라, 향후 차세대 센서임베디드 플렉서블 디스플레이 개발과 극한 환경 및 사고 감지용 스마트 로봇피부 개발에 새로운 가능성이 열렸다. 또한, 지금까지 보고된 촉각센싱 중심의 전자피부 시스템과는 달리, 하나의 픽셀소자가 촉각과 후각을 동시에 감지할 수 있는 ‘냄새맡는 웨어러블 전자피부’를 개발한 것은 지금까지 보고되지 않은 원천기술로 기대된다. 향후 이 연구가 차세대 인간친화형 웨어러블 일렉트로닉스 구현을 위한 원천기술로 응용되어 큰 부가가치를 창출할 것으로 기대된다.
연 구 결 과 문 답
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이번 성과가 기존과 다른 점은?
(기존 기술과 차이 비교) |
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이번에 개발된 웨어러블 전자피부는 지금까지 보고된 촉각센싱 중심의 전자피부 시스템과는 달리, 사용자의 촉각감지와 주변 환경감지가 동시에 가능한 새로운 개념의 냄새맡는 전자피부라는 점에서 기술적 의의가 크다. |
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어디에 쓸 수 있나?
(활용 분야 및 제품) |
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본 연구에서 제안하는 복합감지형(촉각센싱과 후각센싱) 웨어러블 전자피부는 차세대 플렉서블 디스플레이용 복합감지 임베디드 UI/UX 센서소자로 응용이 가능할 뿐만 아니라, 극한 환경 및 사고 감지용 스마트 로봇피부(Robot skin) 개발에 활용이 매우 클 것으로 판단된다. |
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실용화를 위한 과제는? |
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복합감지형 냄새맡는 전자피부의 실용화를 위해서는, 촉각센싱 신호와 후각센싱 신호가 혼선화되는 것을 최소화시키는 소자아키텍쳐 개발과 이에 따른 회로개발이 요구되며, 투명한 소자로의 최적화가 요구된다. |
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실용화 가능 시기는? |
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본 기술의 최적화가 3년 안에 이루어 질 것으로 판단이 되며, 상용화를 위한 기술적 난제들이 해결된다면 냄새맡는 웨어러블 전자피부의 실용화는 5년 뒤에 가능할 것으로 판단된다. |
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산업적, 경제적 파급효과는? |
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본 연구에서 제안하는 복합감지형 냄새맡는 웨어러블 전자피부 기술은 앞으로 인간친화형 전자정보 시대의 차세대 핵심기술로 큰 부가가치를 창출할 것으로 기대되는 동시에, 독자적인 원천기술 확보로 인해 우리나라 디스플레이 산업 및 스마트 로봇산업의 국제 산업 경쟁에서 우위를 확보하는데 커다란 기여를 할 수 있을 것으로 확신한다. |
...................(계속)
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150717 조간 (보도) 냄새맡는 전자피부 개발.hwp