50% 늘려도 감지 성능 유지 … 해양로봇·웨어러블 센서 활용 기대
성균관대 연구팀이 고무처럼 늘어나면서도 물속 초음파를 감지해 전기신호로 바꾸고, 이를 인공 신경 소자에 전달하는 감각 시스템을 구현했다.
성균관대는 신소재공학부 이내응 교수 연구팀이 잘 늘어나면서도 힘이나 진동을 전기신호로 바꾸는 특성을 가진 신소재를 개발하고, 이를 활용한 ‘인공 초음파 감각 시냅스 소자’를 구현했다고 27일 밝혔다.
압전 소재는 힘을 받거나 진동하면 전기를 만들어내는 물질로 초음파 센서 등에 쓰인다. 하지만 기존 무기물 소재는 잘 부러지고, 유연한 플라스틱 계열 소재는 늘어날수록 전기적 성능이 떨어지는 한계가 있었다.
연구팀은 잘 늘어나는 고분자 소재에 부드러운 사슬 형태의 분자를 연결하고, 전기를 잘 만들어내는 나노 크기의 타이탄산바륨 입자를 섞었다. 두 재료가 단단히 결합하도록 해 소재가 늘어난 상태에서도 초음파를 감지할 수 있도록 했다.
개발한 소재는 원래 길이보다 50% 늘어난 상태에서도 전기신호를 만드는 성능을 안정적으로 유지했다. 1000회 이상 반복해서 누르거나 잡아당긴 뒤에도 성능 저하가 나타나지 않았다고 연구팀은 설명했다.
연구팀은 이 소재로 만든 초음파 센서를 신경세포의 정보 전달과 기억 기능을 흉내 낸 인공 신경 소자와 연결했다. 물속에서 초음파가 전달되면 센서가 이를 전기신호로 바꾸고, 인공 신경 소자가 해당 신호 정보를 저장하는 방식이다.
연구 아이디어는 돌고래가 물속에서 초음파를 내보낸 뒤 물체에 부딪혀 돌아오는 소리를 감지해 주변을 파악하는 방식에서 얻었다. 이를 ‘반향정위’라고 한다. 연구팀은 초음파 감지와 신호 전달·저장 기능을 하나의 시스템으로 연결해 생물의 감각과 신경 전달 과정을 모사했다.
연구팀은 이 기술이 앞으로 물속에서 작동하는 유연한 해양 탐사 로봇이나 피부에 부착하는 웨어러블 센서 등에 활용될 수 있을 것으로 보고 있다. 다만 현재는 소재와 소자 단계의 연구로, 실제 로봇이나 의료기기에 적용하려면 성능과 내구성 등에 대한 추가 검증이 필요하다.
이내응 교수는 “잘 늘어나면서도 초음파 감지에 필요한 전기적 성능을 유지하는 소재를 구현했다”며 “해양 탐사 로봇과 웨어러블 의료기기 등에 활용할 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.
이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐으며 국제학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’에 게재됐다.
댓글
0