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미세한 세포 움직임까지 포착하는 3D 촉각 인식장치 개발
생명과학 기초과학연구원 (2020-01-16)

발걸음부터 미세한 세포 움직임까지 포착하는 3D 촉각 인식장치가 개발됐다. 기초과학연구원(IBS) 나노의학 연구단 박장웅 연구위원(연세대 신소재공학과 교수) 연구팀은 연세대, 한양대, KAIST와 공동으로 큰 힘부터 초미세 압력까지 3차원으로 감지하는 고해상도 촉각 인식장치를 개발하고, 인식장치에 압력을 감지하는 발광물질을 결합했다. 

촉각은 피부에 닿아서 느끼는 감각이며, 압각(압력), 온각(따뜻함), 냉각(차가움), 통각(아픔) 등이 있다. 인간의 감각 중 가장 원시적인 감각인 촉각을 직관적으로 측정하고 표현하는 장치를 ‘촉각 인식장치’라고 한다. 최근 온도, 소리, 빛 등을 피부로 감지하고 데이터화하는 다양한 인식장치가 개발되고 있다.

3D 촉각 인식장치 내 센서 개수가 많고 조밀하게 배열될수록 보다 세밀하게 촉각을 감지할 수 있다. 기존에는 이웃한 센서 간의 간섭이 심해 조밀하게 배열하는 것이 어려웠지만, 이번 연구로 압력에 따라 두께가 변화하는 물질을 이용한 트랜지스터 센서를 개발하여 센서 간 간섭 없이 조밀한 배열이 가능하도록 했다. 이는 촉각을 고해상도로 세밀하게 감지할 수 있도록 해준다.

연구팀은 사람 머리카락 단면(약 0.4 mm2)보다 작은 면적에 가로 20줄, 세로 20줄의 정사각형 형태로 총 400개의 센서를 배열하여 3D 촉각 인식장치를 개발하고 장치가 잘 작동하는지 실험을 진행했다. 우선, 50kg의 사람이 굽 반경 1cm 구두를 신고 인식장치를 밟았을 때, 굽에 가해지는 압력의 면적과세기가 인식장치에 실시간으로 표시됨을 확인했다. 또한, 사람 심장세포의 움직임을 3차원으로 측정하여, 심장세포 하나가 박동할 때의 압력이 구두 굽으로 밟는 힘보다 약 10,000배 미세함을 확인했다.

추가적으로 연구팀은 3D 촉각 인식장치에 촉각을 감지하면 스스로 빛을 내는 화학물질을 결합하여, 3차원 촉각 분포를 맨눈으로 쉽게 관찰할 수 있도록 했다. 촉각을 시각화함으로써 촉각 인식장치에 대한 사용자 경험을 효과적으로 증대시켰다.

이전에는 목적에 따른 특정 압력 범위만 좁게 측정이 가능했지만, 이번에 개발한 3D 촉각 인식장치로 발걸음 같은 큰 힘부터 세포 움직임 같은 초미세 압력까지 넓은 스펙트럼의 힘 감지가 가능해졌다. 이는 넓은 감지 범위를 갖는 기존의 인식장치에 비해 약 100배 이상 정밀도를 향상시킨 것으로, 전자기기 산업부터 건강관리 및 의료 분야까지 다양하게 활용될 수 있다.

박장웅 연구위원은“향후 심장 박동 및 혈압 등을 모니터링 하는 장치를 개발하고 신체 정보를 데이터화 하여 인공지능 진단 등에 활용할 계획”이라며, “폭넓은 활용을 위해 촉각뿐만 아니라 단백질 정보까지 함께 감지할 수 있는 장치도 후속 연구로 개발 중”이라고 덧붙였다.

이번 연구결과는 국제 학술지‘나노 레터스(Nano Letters, IF 12.279)에 1월 15일 오후 6시(한국시간) 표지 논문으로 게재되었다.

논문명
Mechanoluminescent, air-dielectric MoS2 transistors as active-matrix pressure sensors for wide detection ranges from footsteps to cellular motions

저자정보

Jiuk Jang, Hyobeom Kim, Sangyoon Ji, Ha Jun Kim, Min Soo Kang, Tae Soo Kim, Jong-eun Won, Jae-Hyun Lee, Jinwoo Cheon*, Kibum Kang*, Won Bin Im*, Jang-Ung Park*

연구이야기

[연구 배경]
촉각은 가장 원시적인 인간의 감각으로 인류는 직관적인 촉감 및 그로 인한 힘의 표현을 위한 기기를 개발해 왔다. 기존의 촉감 또는 압력 센서는 구동 원리의 한계로 인해 감지 가능한 압력 범위가 한정적이며, 고해상도로 집적화하기 어려워 응용 분야가 제한적인 단점이 있었다. 이 문제를 해결하기 위해 센서의 구조나 재료의 변화를 주는 연구들이 활발히 진행 중이다.

[연구 과정] 미세 촉감 센서를 제작하기 위해 이황화 몰리브덴 트랜지스터 구조체 내에 액체 방울을 포함하는 탄성체를 도입하여 민감하게 압력을 감지할 수 있는 촉감 감지 장치를 개발했다. 또한, 힘을 받으면 빛이 나는 재료와 촉감 감지 장치를 통합하였다. 위의 미세 센서 구조를 도입하여 초미세, 초거대 압력의 3차원 분포를 측정 가능한 고해상도 촉감 감지 센서를 개발하였다. 그 결과, 발자국부터 사람의 세포의 움직임에 이르기까지 매우 넓은 범위의 압력을 고해상도로 감지할 수 있는 센서 플랫폼을 구현해 산업계뿐만 아니라 건강 관리 및 의료계에서도 사용 가능한 전천후 촉감 감지 센서의 연구 방향을 제시했다.

[어려웠던 점] 기존의 촉감 센서는 수동구동형 구조로 센서 간 간섭이 심해 고해상도로 구현하는 것이 어려웠는데, 본 연구에서 개발된 구조는 트랜지스터 자체가 스스로 압력 센서로 거동할 수 있기 때문에 센서를 능동구동형으로 배열, 이를 통해 고해상도로 집적하는 것이 가능하다. 이러한 특성을 활용하여 머리카락 단면 면적보다 작은 면적에 400개의 센서를 배치하였다. 장치의 기판은 생체친화적, 유연성 플라스틱 기판을 사용하여 초거대 압력에서도 부러지지 않는 특성을 가지며 생체친화성 역시 세포를 기른 경과를 평가하여 검증하였다.

[향후 연구계획]  본 연구에서 제작된 고해상도 촉감 감지 센서는 매우 작은 크기를 가지는 물체의 압력을 넓은 범위에서 실시간으로 측정할 수 있었다. 이러한 촉감 감지 센서는 힘을 받으면 발광하는 물질과 통합되어 촉감을 즉각적으로 시각화 할 수도 있다. 이러한 점으로 미루어 보아, 본 연구에서 개발된 장치는 산업 분야뿐만 아니라 근래 떠오르는 분야인 건강관리 및 의료계에까지 적용하기에 적합하다. 보다 다양한 분야에서 활용 가능한 다기능 센서 개발에 집중할 예정이다.

촉감 인식장치로 하이힐 압력 감지

그림 1. 촉감 인식장치로 하이힐 압력 감지
       촉감 인식장치를 뾰족한 구두 굽으로 밟아 압력을 주었다. 촉감 인식장치 내 총 400개의 센서가 압력을 실시간으로 감지했다. 초록색이 압력이 감지된 영역이며, 색이 진할수록 센 압력을 나타낸다.

촉감 인식장치로 사람 심장 세포 움직임 감지
그림 2. 촉감 인식장치로 사람 심장 세포 움직임 감지
       촉감 인식장치로 2개의 사람 심장세포를 감지했다. 광학현미경 사진에서 2개의 사람 심장세포를 관찰할 수 있다. 파란색 배경의 이미지는 전류 신호의 세기를 색으로 나타낸다. 초록색 영역이 압력이 감지된 부분이며, 빨간색일수록 더 큰 압력이 감지되었음을 의미한다.

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