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 성균관대학교(총장 신동렬) 전자전기컴퓨터공학과 손동희 교수 연구팀(제1저자 윤지용 박사과정)은 전자전기컴퓨터공학과 박진홍 교수 연구팀, 서울대학교 곽정훈 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.

 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.

 손동희 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.

 본 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 9.12(일) 게재되었다.
※ 논문명 : A bioinspired stretchable sensory-neuromorphic system

하영 기자 다른기사 보기