기존의 신축성 전자소자는 동적 환경에서도 탁월한 전기적․기계적 신뢰성으로 인해 스마트 인공피부에 사용할 수 있는 모듈로 널리 알려져 왔다. 그 결과 촉각, 열, 습도와 같은 다양한 외부 자극을 모니터링하고 처리된 정보를 감각 신경에 전달할 수 있는 감각(센서) 지능(뉴로모픽) 시스템(sensory intelligent system)이 많은 분야에 응용되고 있다. 하지만 각 센서 입력부와 작동 출력부를 뉴로모픽 구성 요소와 함께 통합하여 하나의 시스템으로 만드는 것은 여전히 어려운 문제다.

이에 성균관대학교는 “전자전기컴퓨터공학과의 손동희, 박진홍 ​교수 공동 연구팀이 곽정훈 서울대 교수 연구팀과 공동연구를 통해 인공 기계적 감각 수용체, 인공 시냅스 및 인공 표피 광학 액추에이터로 이루어진 생체 기능 모방 신축성 감각-뉴로모픽 시스템(Stretchable sensory-neuromorphic system)을 개발했다”고 최근 밝혔다.

연구팀이 개발한 시스템은 각각 정전용량식 압력 센서, 차세대 비휘발성 저항 변화 메모리인 RRAM 및 양자점 발광 다이오드로 구성되었다. 또한 효과적인 응력 분산이 가능한 rigid-island 구조를 통해 피부 변형 범위 (약 25%의 변형률)에서도 안정적으로 실시간 촉각 감지, 패턴 학습·추론, 피드백 발광 시각화가 가능하다.

연구팀은 전극이 기하학적으로 접히거나 펴지는 효과(물결 모양 디자인)를 이용한 기존 rigid-island 구조 대신 용매의 증발 속도를 제어하여 160%의 높은 신축성 및 18,550S/cm의 높은 전도도를 갖는 소결 없이(sinter-free) 인쇄 가능한 본질적으로 신축성 있는 전극을 이용한 rigid-island 구조를 사용했다. 고안된 디자인을 통해 열에 민감한 신축성 전자 소자의 열 열화를 방지하면서도 기존의 물결 모양 디자인을 이용한 신축성 소자 대비 면적밀도와 구조적 안정성을 모두 개선하였다. 나아가 연구팀은 피부 변형 범위에서도 훈련 및 추론을 할 수 있는 인공신경망(Artificial Neural Network)을 통해 다양한 패턴의 자극을 정확하게 인식해낼 수 있었다.

손 교수는 “스마트 인공피부 분야의 한계였던 하나의 시스템으로의 통합을 혁신적으로 개선시킬 수 있는 새로운 패러다임의 생체 기능 모방 신축성 감각-뉴로모픽 시스템을 개발한 것으로, 개인 맞춤형 생체 신호 모니터링으로 치료 및 재활에 크게 기여할 수 있다”며 “향후 빅데이터·​인공신경망 기반의 차세대 지능형 웨어러블 시스템을 개발 및 구현하는 데 아주 중요한 초석이 될 것으로 기대된다”고 연구 의의를 설명했다.

한편, 이번 연구는 기초과학연구원(IBS-R015-D1), 과학기술정보통신부-한국연구재단기초연구사업(신진연구 No. 2020R1C1C1005567), 과학기술정보통신부-정보통신기획평가원 정보통신․방송 기술개발사업(No.2020-0-00261), ICT명품인재양성사업(IITP-2020-0-01821), SMC-SKKU 미래융합연구 과제의 지원을 받아 수행되었으며, 연구 성과는 권위 있는 국제 학술지인 어드밴스드 머터리얼즈 (Advanced Materials, IF: 30.849)에 9월 12(일) 게재되었다. 

 

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