특집 생체모사소자

진공 이야기 Vacuum Magazine │2017 09 September6

서론

자연모사 기술(Nature-Inspired Technology)이란 인

류가 당면한 다양한 문제를 해결하기 위해 자연으로부터

지혜를 얻는 기술을 말한다. 자연에는 이미 알려진 생명

체의 종류만 200만 종이 넘으며 현재도 매년 새로운 종들

이 발견되고 있다 [1]. 이러한 다양성에 대한 연구는 과거

인류 역사상 많은 기술발전에 영감을 주어 왔으며 지금

도 첨단 연구 분야에서 돌파구(Breakthrough)를 제공하

고 있다. 예를 들어 물총새의 부리를 모사한 고속열차나

나비의 아름다운 색을 모사한 페인트에 대한 연구는 잘

알려진 바이며, 최근 회자되고 있는 인공지능(Artificial

Intelligent) 로봇 역시 인간의 뇌에 대한 이해를 바탕으

로 하고 있다 [2]. 이외에도 곤충의 움직임을 모사한 초소

형 로봇이나 아프리카 흰개미집을 모사한 건축물 등, 자

자연모사 고감도 촉각센서 기술https://doi.org/10.5757/vacmac.4.3.6

김태위, 이은한, 강대식

Nature-Inspired high sensitivity tactile sensor

technology

Tae Wi Kim, Eun Han Lee, Daeshik Kang

The tactile sensor of the future robot is becoming a necessity

as a sensory organ which can communicate with the person most

directly. Recently, the Nature-inspired technology has provided a

new direction for the development of these tactile sensors. Here,

we review three different nature-inspired tactile sensory system;

high sensitivity pressure sensor inspired by beetle wings, highly

sensitive strain sensor inspired by the spider's sensory organs,

Tactile sensor inspired by human fingertip. These nature-inspired

tactile sensors are expected to provide a breakthrough that not only

can sensitively measure the pressure, but also delicately recognize

the softness and texture of the material just like human.

<저자 약력>

■ 김태위 연구원은 2016년 아주대학교에서 석사학위를 받고, 현재 아주대학교 기계공학과 박사 과정 중이다. (rlaxodnl@ajou.ac.kr)

■ 이은한 연구원은 2016년 아주대학교 기계공학과를 졸업 후 현재 아주대학교 기계공학과 석사 과정 중이다. (guyehl@ajou.ac.kr)

■ 강대식 교수는 2014년 서울대학교에서 박사학위를 받았으며, 미국 일리노이 주립대학에서 박사 후 연구원을 하였고, 2016년부터 아주대학교 기

계공학과 교수로 재직중이다. (dskang@ajou.ac.kr)

[Fig. 1] High sensitivity pressure sensor inspiring interlocking

of beetle [8]. a, Schematic of the sensor. b, Image

demonstrating the flexibility of the sensor . c, SEM image

of sensor nanohairs. Scale bar,1 μm. d, Schematic of the

delineation of the several types of loads(pressure, shear,

torsion) and their transformation of the interlocked

nanohairs. e. Resistance change when load is applied to

sensor. (Roff : unloading, Ron: loading).

특집자연모사 고감도 촉각센서 기술

7특집 _ 생체모사소자

연모사 기술은 실로 방대한 분야에 직간접적인 영향을 주

고 있는 실정이다 [3-6].

한편 빅데이터, 사물인터넷, 드론, 인공지능 로봇으로

대변되는 4차 산업 혁명은 18세기 초 산업 혁명 이후 가

장 큰 기술혁신을 이끌고 있다. 이런 상황에서 중요한 화

두로 떠오르고 있는 것이 다름아닌 센서기술이다. 왜냐하

면 아무리 좋은 소프트 위에 기술이 있어도 실제 자연계

로부터의 수집한 정보가 제한되거나 부정확하다면 올바

른 역할수행을 기대할 수 없기 때문이다. 아울러 미래 로

봇은 사람과 보다 가까운 곳에서 직접적인 교감을 하는

형태로 발전하게 될 것을 감안할 때 이러한 센서 기술은

현재보다 훨씬 더 큰 부가가치 산업으로 성장하게 될 것

이다. 현재적으로도 세계 센서 시장은 이미지 센서, 압력

센서, 바이오 센서 순으로 폭발적으로 증가하고 있으며,

매년 7.9% 씩 성장하여 2019년에는 TV 시장과 비슷한

규모로 성장할 전망이며, 나아가 그 중요성가 더 커질 것

으로 예상된다 [7].

이러한 센서 기술에 대한 필요성이 높아지면서 자연스

럽게 자연계의 다양한 감각기관을 모사하고자 하는 시도

가 이루어지고 있다. 그 중에서도 특히 촉각 센서는 다른

감각 기관들(시각, 청각, 미각, 후각)에 비해 상대적으로

그 이해도가 낮아 그 중요도가 간과되고 있는 편이지만

그 잠재력은 대단히 크다 할 수 있다. 왜냐하면 촉각이야

말로 사람과 가장 직접적인

교감을 할 수 있는 감각기관 이기 때문입니다. 단순히

압력의 많고 적음을 인지하는 수준을 넘어 실제로 사람과

같이 물건의 부드러움과 차가움, 그리고 재질의 거칠기와

질감을 섬세하게 인지할 수 있는 기술은 공학자들의 오랜

꿈 중의 하나이다. 본 글은 최근 활발히 이루어지고 있는

‘자연모사 촉감센서 기술’의 최신 연구 결과를 소개하고

앞으로의 전망을 살펴보고자 한다.

본론

1. 딱정벌레 날개를 모사한 고감도 압력 센서

딱정벌레는 잠자리나 나비와는 달리 비행할 때가 아니

면 날개를 등껍질에 접어서 보관되는 특징이 있다. 몸통

보다 큰 날개를 자유자재로 접었다 펼칠 수 있는 비밀은

몸통과 날개 연결 부위에 촘촘하게 형성 되어 있는 마이

크로 사이즈의 섬모들에 있다. 이 섬모들은 그 형태가 구

부러져 있거나 고리 형태로 되어 않음에도 불구하고, 두

섬모가 가까이 가면 단단히 결합되는 특징을 보여주는데,

비록 섬모 한 가닥의 힘은 크지 않지만 그 수가 수백만,

수천만이 되면 강한 결합력으로 작용하게 된다. 이러한

결합을 inter locking 이라고 표현하는데, 이 결합의 특

[Fig. 2] Plots appearing signals response of the sensor according to

three kinds of loads, (pressure, shear, torsion) and their SEM

images. Scale bars, 1 μm [8].

특집 생체모사소자

진공 이야기 Vacuum Magazine │2017 09 September8

징은 수평방향으로의 힘은 커서 떨어지지 않지만 수직 방

향으로의 힘은 약해 스티커를 떼어내듯 쉽게 분리시킬 수

있다는 점이다. 최근 이러한 딱정벌레의 결합 원리를 모

사한 고감도 압력 센서 연구가 보고되었다 [8].

그림 1은 딱정벌레 날개의 잠근 장치를 모사한 고감도

압력 센서의 대략전인 모식도를 보여주고 있다. 100 nm

크기의 홀 패턴을 가지고 있는 Silicon master 몰드에

UV 경화성 물질인 PUA (Polyurethane Acrylate)를 도

포하고 얇은 PET (Polyethylene Terephthalate) 를 덮

은 다음 일정량의 UV를 노출 시킨다. 이때 PUA 내의 분

자구조가 서로 연결되면서 딱딱하게 경화되게 되는데, 경

화 후 PET를 Silicon master 몰드에서 떼어내면 그림 1c

와 같은 역상의 PUA 나노 필라 구조가 생성되게 된다.

이렇게 만들어진 한 쌍의 PUA 나노 패턴 위에 스퍼터 공

정을 이용해 백금 (platinum) 20 nm 박막을 증착 한 후,

둘을 메탈층이 마주 보도록 포개면 반데르발스 힘으로 인

해 수많은 섬모들이 결합하게 된다. 이 때 위 아래 메탈

층 역시 수많은 섬모구조와 함께 접촉하게 되는데, 이 접

촉점들을 통해 전자들이 흐르는 회로가 형성되는 것이다.

외부의 변형에 따라 이 접점의 면적과 길이가 달라지는

데, 이로 인해 저항의 변화가 생기게 되고 이런 원리를 통

해 외부 신호를 감지할 수 있는 것이다.

그림 2는 센서를 수직으로 누르거나 전단 방향으로 밀

었을 때, 혹은 비트는 힘을 주었을 때 각각 발생하는 시

그널의 변화를 표현한 것이다. 또한 오른쪽 그림은 각각

의 외부 변형에 따른 inter locking구조의 변화를 보여주

고 있다. 이런 나노 스케일의 구조적 변화는 아주 작은 압

력 변화도 인식할 수 있는 수준이어서 물방울과 같은 작

은 mass의 튕김도 감지 할 수 있는 수준이다. 실제로 측

정된 바에 의하면 ∼5 Pa 의 압력까지 인식이 가능한데,

이는 사람의 작은 tough가 10 kPa 인 것을 감안할 때 놀

랍도록 민감한 수준이다. 그림 3은 센서를 8 X 8 어레이

로 제작하여 위치에 대한 측정도 가능함을 보여주고 있

다. 이를 잘 활용한다면 인간의 피부에 보다 가까운 로봇

의 촉각 센서를 만드는데 활용될 수 있을 것으로 기대된

다.

2. 거미의 감각기관을 모사한 고감도 스트레인 센서

거미는 지구 상에 존재하는 모든 생명체 중에서도 진동

을 가장 잘 인식하는 생명체로 알려져 있다. 실제로 연구

결에 의하면 10 nm의 진폭을 가지는 진동도 인식하는 것

으로 알려져 있다. 이러한 고감도 인지 능력의 원천은 거

미의 다리 마디에 분포되어 있는 금형기관이라고 알려진

감각기관이다. 이 금형기관은 거미 이외에도 전갈과 같은

절지동물에도 발견되기도 하지만 거미에서 가장 두드러

지게 나타난다. 최근 이 거미의 금형기관을 모사한 고감

도 센서 연구가 보고되었다 [9].

그림 4에서 보는 바와 연구진은 세가지 접근 방법을

통해 해당 기관에 대한 모사를 시도했는데, 첫째가 형

태, 둘째가 메커니즘, 셋째가 재료에 관한 것이다. 첫

째 형태적인 측면에서 보면 금형기관은 단순히 외골격

(exoskeleton)에 주름이 분포된 것이 아닌 외골격이 위

에서부터 아래까지 끊어진 (hole through)형태이다. 이

런 형태를 크랙 (crack)과 비슷한 형태라고 보고 모사

를 했다. 둘째로 메커니즘적인 측면에서 보면, 금형기관

은 슬릿의 정중앙에 뉴런(Neuron)이 한 다발씩 연결되어

있는 구조로, 외부의 기계적 신호를 전기적인 신호로 바

꾸어주는 역할을 한다. 이는 일종에 mechano-electro

transduction의 원리로 이해할 수 있는데, 이 논문에서

는 기판에 메탈을 증착한 후 양 단에 간단한 전기적인 회

로를 연결하여 크랙의 전기적 저항을 측정하는 것으로 모

사를 시도하였다. 마지막으로 재료적인 관점에서 보면 거

미의 금형 기관 아래쪽에는 패드라는 물질이 분포하고 있

는데, 이것이 일종에 high pass filter 역할을 하고 있다

[Fig. 4] Inspiring by shape, mechanism, material [9].

[Fig. 3] Spatial measurement by 8 by 8 pixels pressure sensor. 8

특집자연모사 고감도 촉각센서 기술

9특집 _ 생체모사소자

는 것이 이미 생물학자들에 의해서 밝혀져 있었다. 패드

가 이러한 역할을 할 수 있는 이유는 그 재질이 점탄성

(viscoelastic) 물질로 구성이 되어 있기 때문이다. 점탄

성 물질의 사전적 정의는 주파수에 따라 모듈러스가 달라

지는 물질을 뜻하는데, 이 것이 필터 역할을 하는 핵심 원

리와 연관이 있다. 즉 점탄성 성질을 가진 패드가 낮은 주

파수 영역에서는 비교적 무른 재질인 것처럼 (모률러스

가 낮은 것처럼) 반응하고 높은 주파수 영역에서는 반대

로 딱딱한 재질인 것처럼 (모듈러스가 높은 것처럼) 반응

하기 때문에 낮은 주파수 영역의 진동은 잘 통과 시키지

못하고 높은 주파수 영역의 진동만 선별적으로 통과 시키

게 되는 것이다. 실제로 자연계에는 비교적 저주파 영역

의 진동은 바람이나 빗방울과 같은 것에서 기인하는 노이

즈일 때가 많다. 반면 거미줄에 잡힌 먹이가 발생시키는

진동의 경우 이 보다는 훨씬 높은 영역대에서 형성이 되

므로 거미 입장에서는 노이즈의 의미 있는 정보를 구분

할 필요가 있는 것이다. 위 논문은 이런 재료적인 모사를

위해서 점탄성 성질을 가지는 Polyurethane Acrylate

(PUA)라는 물질을 기판으로 사용하였다.

그림 5는 위에서 언급한 세가지 접근법을 모두 사

용한 센서의 제작법을 표현하고 있다. 센서를 지지해

줄 유연하면서도 단단한 폴리머 기판인 Polyethylene

Terephthalate (PET)위에 UV(ultraviolet) 경화성 점

탄성 물질인 PUA를 얇게 도포한 후 UV를 쬐어 단단하

게 만든다. 다음으로 그 위에 20 nm 백금(platinum) 박

막을 증착한 후 기계적인 벤딩을 이용해 백금층에 크랙을

형성시킨다. 마지막으로 양끝단에 실버 페이스트를 이용

해 금속 와이어를 연결하면 크랙센서를 제작할 수 있다.

그림 6은 이렇게 제작한 크랙 센서의 성능을 보여주고

있다. 스트레인이 증가함에 따라 저항이 급격히 증가하는

것을 볼 수 있는데, 스트레인 센서의 감도를 나타내는 대

표적인 값인 Gauge Factor(GF)를 기준으로 보면 2 % 인

장에서 2000이 넘는 것을 알 수 있다. 이는 기존에 제작

된 어떤 센서들 보다 감도가 높은 것으로, 미세한 기계적

변형도 쉽게 감지할 수 있는 특성을 보여준다. 이외에도

repeatability, reproducibility, stability 등 센서로서

사용할 수 있는 특성을 잘 보여주고 있다.

마지막으로 그림 7은 크랙센서의 다양한 활용도를 보여

[Fig. 6] Demonstrating crack sensor performance 9 (a) repeatability.

(b) stability that can be used as sensor. (c) gauge factor,

reproducibility.

[Fig. 7] Various applications of crack sensor [9].

[Fig. 5] Left, photograph of the crack sensor. Right, enlarged

photograph of the cracks [9].

특집 생체모사소자

진공 이야기 Vacuum Magazine │2017 09 September10

주고 있다. 크랙센서의 고감도 특성을 활용하면 기존 스

트레인 센서가 구현할 수 없었던 미세한 진동을 인식할

수 있는데, 이로 인해 다양한 분야의 적용이 가능하다. 대

표적으로 진동이 있는 생물과 그렇지 않은 무생물을 구별

할 수 있게 되는데, 이는 기존의 스트레인 센서가 구현할

수 없었던 능력이다. 다음으로 데이터의 스펙트럼 분석

을 통해 진동의 미묘한 변화도 감지할 수 있는데, 이를 이

용하면 사람이 말하는 단어를 구별하는 음성인식 시스템

에도 사용이 가능하다. 이외에도 사람 손목에 착용함으로

인해 간편하게 pulse를 인식할 수 있게 되는데, 이때의

신호를 보면 수축기와 이완기와 같은 섬세한 변화도 측정

이 가능함을 알 수 있다. 이러한 예들을 통해 거미의 감각

기관으로부터 시작한 모사 연구가 얼마나 다양한 분야에

적용될 수 있는지 알 수 있다.

3. 인간의 손가락 지문을 모사한 촉각 센서

최근 자연모사 촉각 센서 연구의 흐름은 감도를 극한으

로 높이는 것과는 별개로 인간의 촉각에 보다 가깝게 모

사하는데 초점을 맞추고 있다. 즉 단순한 압력이나 인장

정도를 인식하는 것이 아니라 대상의 질감이나 거칠기 차

가움 그리고 부드러움 등과 같이 보다 디테일하고 다양한

정보를 동시에 읽어 대상을 섬세하게 구별해대는 방향으

로 진행되고 있다. 이런 흐름을 대표적으로 보여주는 연

구가 최근 보고 되었다 [10]. 그림 8은 이 전자 피부의 전

체적인 모식도를 보여주고 있다. 본 논문은 크게 세가지

면에서 사람의 손가락을 모사했는데, 첫째로 사람 손가

락 지문이다. 지문은 물체를 잘 미끄러지지 않게 잡는 역

할 뿐 아니라 물체의 거칠기를 인식할 수 있는 역할을 한

다고 알려져 있다 [11]. 예를들어 손가락으로 어떤 표면을

긁으면 지문이 진동 신호를 증폭시켜 대상의 거칠기를 인

식할 수 있는 것이다. 본 연구는 이를 모사하여 전자 피부

겉면에 손가락 지문과 유사한 턴을 형성하였다. 두번째로

피부의 표피층과 진피층 사이에 형성되어 있는 수십~수

백 마이크로 사이즈의 interlocking 구조를 모사하였다.

이 구조는 외부의 기계적 자극이 있을 때 이를 증폭시킬

뿐 아니라 신호를 피부내 감각 수용기로 보다 효과적으로

전달하는데 기여하는 것으로 알려져 있다 [12]. 본 논문

은 이러한 구조를 모사하기 위해 고분자 복합소재 필름을

가공하여 마이크로 크기의 반구 형태의 필름을 만들었다.

그 다음 두 장의 필름의 볼록한 부분끼리 서로 맞물리도

록 포개어 피부와 유사한 interlocking 시스템을 구현하

였다. 셋째로 정적 자극과 동적 자극을 (이는 일반적으로

자극의 입력 속도에 따라 구분된다) 구별할 수 있는 피부

의 능력을 모사하였다. 이를 위해 각각 피에조저항과 강

유전체 레이어를 삽입하였다. 특히 유전체 레이어는 온도

의 변화까지 인식할 수 있어서 피부의 감각 수용기를 보

다 가깝게 모사했다고 볼 수 있다.

그림 9는 이렇게 제작된 전자 피부가 실제로 다양한

신호들을 어떻게 인지하는지를 보여주는 결과들이다. 먼

저 그림 9a 는 0˚C 에서 100˚C 까지의 변화를 잘 인식

하는 것을 보여주고 있으며, 그림 9b는 전자 피부의 표면

에 형성된 패턴을 통해 대상체의 표면 거칠기를 잘 인식

하는 모습을 보여준다. 마지막으로 그림 9c는 물방울이나

손목의 맥박, 심지어 소리와 같은 미세한 압력변화도 잘

인식하는 것을 보여주고 있다.

[Fig. 8] Schematics of electronic skin [10].

특집자연모사 고감도 촉각센서 기술

11특집 _ 생체모사소자

요약 및 전망

지금까지 살펴본 바와 같이 촉각센서는 기계가 세상과

소통하는 가장 직접적인 센싱 파트로 현재까지 많은 연구

가 진행되어 왔다. 특히 최근 4차 산업 혁명과 맞물려 보

다 정교하고 섬세한 그래서 인간과 감성적인 교감이 가능

한 촉감 센서에 대한 관심도가 커져가고 있다. 이를 실현

시키기 위해 기존의 단순한 압력센서에서 탈피 하여 자연

속 생명체에 있는 다양한 구조를 모사한 혁신적인 고감

도/고기능 촉각 센서에 대한 연구가 활발히 진행되고 있

다. 본 글에서는 이런 추세를 보여주는 대표적인 최신 연

구 세 가지를 소개하였다. ‘딱정벌레 날개를 모사한 고감

도 압력 센서’와 ‘거미의 감각기관을 모사한 고감도 스트

레인 센서’ 그리고 ‘인간의 손가락 지문을 모사한 촉각 센

서’가 그 예이다. 본문에서 소개한 바와 같이 자연모사 촉

각 센서는 크게 인간의 인지 범위를 넘어선 초고감도 센

서와 인간과 보다 가까운 형태의 섬세한 측정이 가능한

센서 두 방향으로 진행되고 있다. 하지만 앞으로는 두 기

술이 하나로 합쳐진 새로운 형태의 촉감센서가 개발 될

것이며, 가까운 미래에는 이러한 센서기술이 기계와 결합

하여 사람과 더욱 깊이 교감하는, 인간 친화적인 로봇개

발이 이루어 질 것이다. 나아가 궁극적으로는 사람의 감

각을 그대로 구현하는 촉감 피부가 사람에게 이식되어 감

각을 읽은 사람들의 피부를 대체할 날도 올 것으로 기대

된다.

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│References│

[Fig. 9] Results showing how electronic skin recognizes the various

signals [10]. (a) Recognize the change from 0 ˚C to 100 ˚C

(b) surface roughness of the object through the pattern

formed of the surface of the electronic skin.