[지금은 과학] 누르는 힘에 따라 밝기가 달라지는 전자피부

[아이뉴스24 최상국 기자] 누르거나 당기면 빛을 내는 전자피부가 개발됐다. 자극의 세기에 따라 빛의 세기도 민감하게 변한다. 빛을 감지하는 장치와 빛을 내는 장치가 따로 따로 있는 것이 아니라 하나의 장치에서 신축·압력을 감지하고 바로 빛을 방출한다.

유연한 터치스크린, 버튼 없는 디스플레이 등 다양한 분야에서 사람과 기계(사물) 사이의 촉각 인터페이스 발전에 기여할 것으로 기대된다.

강문성(서강대 화공생명공학과), 김도환(한양대 화학공학과) 교수 연구팀은 누르거나 당기는 등 힘의 변화를 빛의 미세변화로 응답하는 ‘스마트 발광형 전자피부’를 개발, 연구결과를 2일 0시 재료과학 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 머터리얼스(Advanced Materials)’에 발표했다. (논문명 :Visco-Poroelastic Electrochemiluminescence Skin with Piezo-Ionic Effect. 제1저자: 서강대 이종익, 한양대 최한빈)

압력이 주어지면 시각적인 피드백을 제공하는 기능을 갖춘 기존의 전자피부는 압력을 감지하는 장치와 이에 대응해 빛을 내는 발광장치를 각각 구성한다. 따라서 이들을 연결하기 위한 추가적인 소자와 복잡한 회로 사용이 불가피하며 이를 구동하기 위해 높은 전력이 필요하다.

또한, 압력의 유무를 구별하는 정도를 넘어서 압력이 가해지는 위치와 압력의 크기를 미세하게 구분해 이에 상응하는 시각적 피드백을 제공하는 데에는 어려움이 있었다.

이번 연구팀은 물리적 형태변형에 기반한 메커니즘을 사용하지 않고, 압력 및 응력 자극에 의한 고분자 나노 소재 내 이온 분포의 변화(압이온효과)와 전기화학적 발광현상의 상호작용 메커니즘을 통해 기존 기술의 한계를 원천적으로 극복했다.

연구팀은 신축성 있는 고분자 소재에 전기화학적 발광소재를 적용해 힘의 위치와 크기에 따라 빛의 밝기가 달라지는 전자피부를 설계했다. 누르는 부분에서만, 누르는 힘의 세기에 따라 소재에 포함된 이온의 분포 변화를 바탕으로 빛의 휘도가 달라지는 전기화학적 원리를 이용한 것이다.

연구팀은 바닷물 속에서 조류의 민감한 변화에 따라 발광세기가 달라지는 해양 플랑크톤에서 모티브를 얻었다고 설명했다. 플랑크톤 내부의 이온 전달현상과 전기화학적 산화·환원 반응에 따른 해양플랑크톤의 생물발광원리를 모사한 것이다.

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

개발한 전자피부는 우수한 신축성을 갖는 고분자 소재, 고분자 사이를 이동할 수 있는 이온성 전해질 소재, 그리고 전기화학적 과정을 통해 발광이 일어날 수 있는 이온성 발광소재로 구성됐다. 압력이나 인장 등 외부 자극이 가해지면 고분자 네트워크의 형태에 변형이 일어나고, 네트워크에 포함된 이온종의 이동도 차이에 따라 그 배치가 재배열되어 전위가 형성된다. 이러한 압이온 효과를 이온성 발광소재의 전기화학발광현상과 연계했다.

이렇게 만들어진 전자피부는 0에서 60kPa(킬로파스칼)에 이르는 다양한 범위의 압력에 대해 다른 휘도의 빛을 방출했다. 또한 늘리는 힘(0~100%)에도 힘의 크기에 비례해 빛의 휘도가 증가했다.

연구팀은 "늘리는 자극에 비례해 빛의 휘도가 증가하는 것은 기존에 보고된 일반적인 전자피부의 시각적인 피드백과 다른 경향으로, 늘리는 자극의 세기를 쉽게 구분하는데 유리한 방식"이라고 설명했다.

김도환 교수는“힘의 변화에 따라 발광층 내 이온 분포를 제어한 이번 연구는 지금까지의 전자피부 분야에서 연구되지 않은 새로운 구동 방식을 제시한 데 큰 의미가 있다”며 "IoT 시대 사용자와 사물 간 시각적 촉각인터페이스 분야로의 응용이 기대된다”고 밝혔다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 개인기초연구(중견연구) 사업의 지원으로 수행됐다.

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