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[사이언스] 무전원 초정밀 인공피부센서 개발
생체신호측정, 인공 촉각, 로봇 피부 등 다양한 산업용 센서로 활용 기대
특허뉴스 염현철 기자 기사입력  2018/02/27 [07:34]

과학기술정보통신부는 최근 한창수 고려대 교수팀이 인체 감각기관을 원형에 가깝게 모사해 전원 없이 작동하는 초정밀 인공피부센서를 개발했다고 밝혔다.

인공피부센서는 외부의 물리적인 접촉에 의해 전달되는 압력, 진동, 터치 등을 측정하는 센서다.

한 교수팀의 연구 결과는 국제학술지 어드밴스드 머터리얼스(Advanced Materials) 2월 9일자로 게재됐다.

내용에 따르면 한 교수팀이 개발한 피부센서는 외부 자극에 의해 이온이 이동하면서 신호가 전달되는 원리를 이용했다. 별도의 에너지원 없이 구동될 수 있으며, 자극에 대한 빠른적응·느린적응의 두가지 신호를 동시에 측정함으로써 혈압, 심전도, 물체 표면의 특징, 점자의 구별 등 매우 정밀한 감지 능력을 보였다.

한 교수는 "이 연구는 기존 실리콘 기반 방식과 다른 새로운 패러다임의 센서"라며 "생체신호 측정, 로봇피부의 성능 개발 및 개선에 기여하고 IoT와 연계해 무전원 고감도의 센싱 모니터링 체계를 구축, 다양한 산업분야에 적용될 것으로 기대된다"고 말했다.

한편 한 교수팀이 제안한 생체 피부감각기관 모사 인공피부센서는 수용기, 전해질, 이온채널 등의 세 가지 요소와 자체전력생산부인 압전필름을 알맞게 결합시켜 다양한 촉각 자극 상황에서 무전원 고민감도로 촉각 자극을 측정할 수 있음을 보여줬다.
 
이런 다양한 요소 구성을 통해 센서 분야에서 새로운 패러다임을 제시하고 이 분야의 학문적 돌파구를 제시할 수 있을 것으로 기대된다.


▲     © 특허뉴스
     그림설명 : 생체 피부감각기관 시스템과 인공 피부센서 신호발생 개략도.
(A) 인체 피부 내의 네 가지 기계적 수용기와 이온채널을 통한 이들의 두 가지 수용기 신호(느린응답: Merkel disk, MD; Ruffini cylinder, RC; 빠른응답: Meissner corpuscle, MC; Pacinian corpuscle, PC)
(B) 인공 압력 피부센서의 단면도 및 구조도. 느린응답: 이온채널 내부에서 발생되는 신호, 빠른응답: 압전필름에서 발생되는 신호. 압력전가시 순간적으로 하나의 시스템으로 작동. 스케일바: 100 마이크로미터).
    
▲     © 특허뉴스
     그림설명 : 인공피부센서의 압력인지 특성
(A) 압력인가시 오실로스코프를 이용하여 측정한 각각의 압력변화 및 민감도
(B) 압력 변화에 따른 전형적인 느린응답 곡선 변화도
(C) 압력 변화에 따른 전형적인 빠른응답 곡선 변화도
(D) 두가지 응답신호에 대한 기계적 Q팩터 및 진동응답으로부터 얻은 빠른응답의 bandwidth 변화도
(E) 혈압 신호 측정을 위해 손목에 장착한 인공피부압력센서
(F) 전형적인 맥파 신호 유형
(G) 휴식시 운동후의 빠른응답과 느린응답 신호의 변화곡선
(H) 느린응답에 해당되는 맥파신호의 분석도
(I) 빠른응답에 해당되는 심탄도 유형곡선
(J) 손목에서 발생되는 맥동신호로부터 얻은 요골동맥증가지수와 이완기확장지수
(K) 손목으로 부터의 측정되는 느린응답의 왕복시간 측정도
(L) 심탄도 수치에서의 IJK와 IJ 간격 비교도


▲     © 특허뉴스
     그림설명 : 인공피부센서의 표면질감 측정 및 물체인지 결과.
(A) 지문형 센서구조의 개략도
(B) 지문형 센서의 장치도 및 측정방법. 스케일바: 5밀리미터. 라인패턴 폭: 2밀리미터
(C) 유리 표면의 광학 및 전자현미경 사진
(D) 와트만지의 광학 및 전자현미경 사진
(E) 샌드페이퍼의 광학 및 전자현미경 사진
(F) 각 표면의 빠른응답과 느린응답의 동시 측정 신호
(G) 지문형 센서를 손가락 표면에 장착한 후 컵을 잡고 미끄러뜨리고 다시 잡을때의 사진
(H) 컵의 상태늘 인지시 각 순간마다 발생되는 빠른응답과 느린응답신호
(I) 느린응답신호의 주파수-전압 전환신호
(J) 빠른응답신호의 주파수-전압 전환신호
   
▲     © 특허뉴스
     그림설명 : 인공피부센서 작동 메커니즘과 시뮬레이션 결과.
(A) 센싱메커니즘 개략도. PVDF 필름에서의 전압발생 및 이온채널내부에서의 전압측정. 압전필름부, 이온채널부, 전극부로 나눌 수 있는 세 가지 회로연결도
(B) Comsol과 Spice로 시뮬레이션한 센싱결과
(C) 압력인가시 Comsol로 시뮬레이션한 이차원적 이온분포도
(D) Comsol로 시뮬레이션한 이차원적 전압변화 분포도. 압력인가 범위: 0.1~15 kPa.
 

기사입력: 2018/02/27 [07:34]  최종편집: ⓒ 특허뉴스
 
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