[IT 기본학습] 전자 신체 시리즈 ①, 차세대 핵심기술 전자피부!

 

안녕하세요. 이호스트ICT입니다.

영화 '터미네이터' 다들 보셨나요? 영화 속 터미네이터는 사람의 모습을 한 휴머노이드 로봇으로, 외부 충격을 받거나 총에 맞아도 원상복구되는 인공 피부를 가지고 있는데요. 이러한 인공피부, 전자피부가 실제 현실에서도 개발이 되었다고 하는데요!

원상복구의 기능을 가진 전자피부뿐만 아니라, 촉각도 느낄 수 있고 사람의 체온을 유지시켜 목숨을 구해주는 전자피부까지 다양한 전자피부의 개발이 이루어지고 있습니다. 오늘은 전자 신체의 첫 시리즈로 다양한 기능들을 가진 전자피부들에 대해 알아보도록 하겠습니다.

 

자가치유되는 전자피부 

출처  : University of Colorado Boulder

 

미국의 콜로라도 대학 볼더 캠퍼스 연구팀은 피부의 압력과 온도 등을 측정해서 상처가 나도 스스로 회복하는 자가치유 능력을 가진 전자피부를 개발했는데요. 이 자가치유 기술을 가진 전자피부는 얇고 투명한 재질로 만들어져 압력, 온도, 습도 및 공기 흐름까지도 측정할 수 있는 센서가 내장되어 있습니다.

이 센서가 사람의 피부와 같이 동일한 기능을 수행해 주는데요. 재질부터 센서까지 모두 유연한 성질을 가져 모양 변형이 쉽기 때문에 어떤 표면에서도 사용할 수 있습니다. 폴리머가 활발히 움직이는 활성화 상태의 폴리이민(Polyimine)을 주재료로 제작된 이 전자피부는 흠집이 나도 상온에서 쉽게 회복이 가능한데요. 표면은 은나노로 코팅하여 탄성, 회복력, 화학적 안정성, 전도성까지도 갖추고 있습니다.

자가치유 기술을 가진 이 전자피부는 사용 후 문제 발생 시 대책안까지 마련되어 있는데요. 상처 난 피부를 회복하기 위한 접착제 역할을 하는 접착 용액은 에탄올에 세 가지 화합 물질을 섞어서 만들어졌습니다. 또한 재생 가능한 친환경적 이점을 가진 분해 용액도 함께 개발이 되었는데요. 만약 센서가 부서져 사용할 수 없게 된 경우 이 분해 용액에 전자피부를 담그면 다량체 혼합물이 단량체 화학물질로 분해되고 알코올 용액이 분리되면서 은나노 입자는 용액 바닥에 가라앉게 됩니다. 이렇게 분리된 액체와 은나노 입자는 또 새로운 전자피부 제조에 재사용 되게 되는 것이죠.

이 전자피부는 소량의 열과 압력만으로도 굴곡진 면에 쉽게 부착할 수 있어, 인공 보철물이나 로봇 등에 쓰일 것으로 기대되고 있습니다.

 

체온을 지켜주는 전자피부

출처  : YTN  사이언스 투데이 유튜브

 

국내 연구진이 체온 조절은 물론 전력을 생산하는 전자피부를 개발했는데요. 이 전자피부는 수중 구조 작업을 하는 잠수부들을 위해 개발이 되었다고 합니다. 수중 구조 작업은 굉장히 중요하고 필수적이지만 많은 위험이 존재하는데요. 특히 물속에서 인체의 열 손실은 대기보다 25배가 빨라서 수중 작업이 길면 길수록 저체온증의 위험도 커집니다.

이러한 수중 작업을 보다 더 오래, 안전하게 할 수 있도록 차가운 수온과 따뜻한 체온 사이의 온도차로 전력을 생산하는 열전소자를 이용해 전자피부를 개발한 것인데요. 게다가 딱딱한 재질인 아닌 잘 늘어나고 부드러운 전자피부를 개발해 부착에도 용이합니다. 이 전자피부를 부착하면 제베크 효과*를 이용해 체온과 수면 사이의 온도 차이로 인한 전력 생산 모드를 사용할 수 있는데요. 개발한 전자피부는 온도 차이만 있다면 영구적으로 전력 생산이 가능하고 온도 차이가 클수록 전력 생산량 또한 늘어나게 됩니다.

*제베크 효과 : 온도 차에 의해 열이 전기로 바뀌는 현상

출처  : YTN  사이언스 투데이 유튜브

 

전자피부를 부착한 장갑을 물속에 넣으면 바로 전력 생산 그래프가 크게 올라가는 모습을 확인할 수 있는데요. 실제로 공기 중에서보다 물속에서 전력 생산량이 60배 이상 높아지는 것으로 나왔습니다. 이렇게 전자피부가 만들어낸 전력으로 심전도 등 각종 센서를 작동시킬 수도 있는데요. 이런 센서들을 통해 수중 작업자의 상태를 실시간으로 파악하고 작업자의 저체온이 확인되면 전자 피부에 전류를 흘려 펠티에 효과*를 이용해 냉온감을 구현함으로써 작업자의 체온을 일정하게 유지해 줄 수 있습니다.

*펠티에 효과 : 두 종류의 금속을 접속하여 전류가 흐를 때 두 금속의 접합부에서 열의 발생 또는 흡수가 일어나는 열전현상

연구진은 이 전자피부에 배터리와 같은 별도의 저장 장치를 연결하면 극한 환경에서 장시간 활동해도 안정적으로 전력 공급이 가능할 것이라고 기대하고 있는데요. 이 기술이 상용화된다면 수중뿐만 아니라 북극이나 남극과 같은 극한의 추위를 느끼는 곳에서도 체온을 유지시켜줄 수 있고 열감뿐만 아니라 온도를 낮춰주는 냉각 기술도 보유하고 있기 때문에 더운 지역에서도 활용이 가능할 것으로 보입니다.

 

촉감과 온도를 느끼는 전자피부

전자피부를 실제로 밀었을 때의 인식 이미지. 접촉한 부분의 온도 변화, 힘의 방향 인식. / 출처 : 포스텍

 

사람의 피부가 자극이나 온도 정보를 인식하고 전기 신호를 만들어 뇌에 전달하듯 이 전자피부 역시 그 기능을 해내는데요. 인간의 피부가 촉각 수용체 전해질로 가득 차 있기 때문에 변형이 자유로우면서도 망가지지 않는다는 점에서 착안해 개발했습니다. 또한 전해질을 함유한 이온 전도체 소재가 측정 주파수에 따라 측정할 수 있는 성질이 달라진다는 점을 활용해서 촉각과 온도를 동시에 측정할 수 있는 다기능성 인공 수용체를 만들어낸 것인데요. 이 전자피부는 밀림, 꼬집기, 벌림, 비틀림 등 여러 움직임에 대해 힘을 가한 방향이나 늘어난 정도는 물론이고 자극을 준 물체의 온도까지도 정확히 측정해낼 수 있습니다.

 

출처  :  포스텍

 

이 전자피부의 최종 목표는 인간의 촉각 수용체와 신경 전달을 모사한 인공 전자피부를 만들어서 질병이나 사고로 인해 피부, 장기의 촉각 기능을 잃은 환자들의 촉각을 복원하는 데 도움이 되는 것인데요. 현재의 개발 단계에서는 사람에게 적용하기에는 한계가 있어, 현재까지의 단계로 보면 웨어러블 온도 센서나 로봇 피부에도 활용을 할 수 있을 것으로 기대되고 있습니다.

 

 

앞서 소개해 드린 전자피부들 이외에도 피부에 부착하는 전자피부 디스플레이부터 고통을 느낄 수 있는 전자피부 등 많은 전자피부 개발이 이루어지고 있습니다. 전자피부의 발전은 앞으로 인체의 피부에 그치지 않고 손과 발, 팔과 다리까지 제작이 가능해질 텐데요. 이 기술들은 로봇은 물론이고 의료 분야에도 큰 혁명을 가져올 것으로 보여 가장 큰 기대를 하고 있습니다. 앞으로는 로봇들의 모습도 딱딱하고 차가운 고철 덩어리의 형태가 아닌 따뜻하고 사람의 피부와 같은 부드러운 형태의 로봇들이 많이 탄생할 미래가 머지않은 것 같습니다. 의료계에 혁명을 일으킬 그날을 기대하며 오늘은 여기서 마치도록 하겠습니다.

감사합니다.