인쇄공정의 물방울 모양을 바꾸어, 정교한 조작이 가능한 부드러운 인공 손가락 개발

- 계면 제어를 통해 인쇄공정의 물방울 모양을 계층의 미세돔구조로 변형

- 정교한 조작이 가능한 고성능 저가형 부드러운 인공 손가락 적용

▲(왼쪽부터) 성균관대 방창현 교수, 한국표준과학연구원 김민석 박사, 성균관대 전승환, 민형호 박사

화학공학부 방창현 교수 연구팀은 한국표준과학연구원 김민석 박사 연구팀과 공동 연구를 통해 인쇄공정 중 손쉬운 물방물 형태 변형 기술을 개발하여 고성능의 압력과 온도를 동시에 감지할 수 있고 정교한 조작이 가능한 고성능의 저가형 부드러운 인공 손가락을 개발했다.

연속 인쇄 기술은 다양한 전자소자 제조에 있어서 경제성이 높아 최근 주목을 받고 있다. 특히, 기존 고성능의 촉각센서들은 복잡한 여러 층의 적층 기술들(포토리소그래피 또는 여러 층의 코팅 공정)이 요구되어, 고가의 장비가 필요하거나 시간이 많이 소모되는 단점이 있다. 따라서, 단일 인쇄공정만으로 다양한 3차원 계층형* 미세구조의 전도성 나노복합체를 제조하는 기술을 개발하는 데 어려움이 있었다. 또한, 기존의 인쇄 가능한 인공 촉감 소자들의 경우, 구조적 한계로 인해 높은 감도와 선형성**을 동시에 갖는 성능을 구현에 한계가 있어 인간의 손과 같이 정교한 조작에 제한이 있었다.

* 계층형: 서로 다른 크기나 형상들이 다층적으로 구성된 구조

** 선형성: 물리적 입력 신호와 전기적 출력 신호 사이의 관계가 일정한 비례식을 따르는 정도

▲인쇄 공정을 통해 제조한 전도성 3차원 계층 미세구조 형성 원리 및 인공 촉감 센서 응용

연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 인쇄공정으로 잉크의 물방울 형태의 마랑고니 흐름*** 제어의 원리를 밝혀 다양한 3차원 전도성 계층형 미세구조들을 제조할 수 있는 기술을 최초로 개발했다. 연구팀은 인쇄공정 중 잉크의 점도, 표면 에너지, 온도를 손쉽게 조절하고, 이론적 원리를 밝혀 한 번의 인쇄공정으로 3차원 계층형 전도성 구조의 변형이 가능한 것을 확인했다.

***마랑고니 흐름: 계면을 따라 표면 장력의 크기가 일정하지 않을 때 표면장력이 낮은 곳에서 높은 곳으로 유체가 이동하는 현상

▲인쇄공정으로 제작된 고성능 부드러운 인공 손가락 기술 및 3차원 미세 돔구조들의 압력 감지 원리

이를 활용하여, 연구팀은 인쇄공정으로 개발한 전도성 계층형 미세 돔구조를 고민감과 고선형성을 갖는 고밀도의 압력센서층에 적용했다. 전도성 계층형 미세 돔구조는 돔구조 위에 작은 돔들이 계층적으로 배열되어 있어, 압력 변화에 따라 전기적 접촉 면적이 민감하고 선형적으로 증가하도록 설계되었다. 또한, 압력 센서 상부층에 압력의 영향을 거의 받지 않고 온도를 정확하게 감지 가능한 방패처럼 생긴 미세한 돔 구조를 고밀도 온도 센서층에 적용했다. 이렇게 만들어진 고밀도의 고성능 압력과 온도 센서 배열 모두 간단한 연속 프린팅 공정으로 만들어졌으며, 손가락과 같은 곡면을 가진 탄성 소재 위에 연구팀의 계면 제어 기술로 원하는 돔 모양으로 쉽게 제작할 수 있다.

▲사람과 같이 정교한 조작이 가능한 고성능 저가형 부드러운 인공 손가락 응용 기술들

연구팀은 인쇄 가능한 압력과 온도를 동시에 감지가 가능한 고밀도의 고성능 인공 손가락 표피 센서를 촉감 피드백 기술****과 접목하였다. 연구팀은 기술이 적용된 저가형 고성능의 부드러운 인공 손가락은 높은 감도와 높은 선형성을 동시에 가져 부서지기 쉬운 비스킷을 잡거나, 부드러운 과일을 수확하는 등의 다양한 정교한 조작들이 가능함을 확인했다.

****촉각 피드백 기술:　접촉이나 압력 정보를 감지하고, 이를 바탕으로 로봇 손의 악력 정도를 실시간으로 조절하는 기술

방창현 교수는 “간단한 연속 인쇄공정을 이용한 고성능 촉감 센서를 제조하는 기술은 사람 손가락처럼 섬세하고 정교한 조작이 가능한 부드러운 저가형 인공 손가락으로 적용할 수 있으며, AI 기술과 접목한 차세대 로봇 기술, 의료 및 스마트 팜 산업 등에 확장 가능할 것으로 기대한다”고 밝혔다. 관련 연구는 공동연구기관인 ㈜피지오닉스와 협력을 통해 현재 상용화를 추진 중이다.

본 연구는 국가과학기술연구회가 추진하는 융합연구단사업, 산업통상자원부가 추진하는 시장선도형 K-sensor 기술개발사업, 과학기술정보통신부가 추진하는 한국연구재단 기초연구실지원사업 및 개인기초연구(중견연구) 지원으로 수행되었다. 이번 연구성과는 국제학술지 InfoMat (IF: 22.7, 재료 분야 JCR 상위 3%)에 3월 6일 온라인 게재되었다.

※ 논문명: Easy-to-morph printable conductive Marangoni-driven 3D microdome geometries for fingertip-curved E-skin array with an ultragentle linear touch

※ 저널: InfoMat

※ DOI: https://doi.org/10.1002/inf2.70001