박재영 교수 연구팀, 손으로 만든 마찰전기 통해 무선 수화 통역 가능성 열어
- 손동작으로 생산되는 마찰전기를 이용하여 손가락의 움직임 해석 및 제어가 가능한
무전원 유연 압력 센서 및 스마트 글러브 시스템 개발 성공 -
- 손동작 감지가 필요한 수화 통역시스템, 게임, VR/AR 등 에서의 적용 가능성 기대 -
본교 박재영 교수 연구팀(전자공학과)은 손가락 움직임으로 얻어지는 고출력의 마찰전기를 이용하여 전원이 없이도 미세한 손동작을 연속모니터링 할 수 있는 유연 압력 센서 개발에 성공했다. 제작된 센서는 우수한 감지 특성과 기계적 견고성을 갖기 때문에 손동작 감지 및 제어 시스템, 수화 통역 시스템, 인간-기계 인터페이스를 이용한 지능형 로봇, 드론, 게임, VR/AR 등 다양한 산업 분야에 적용될 수 있다.
최근 유연 압력 센서 및 전자 피부 센서와 같은 웨어러블 센서를 사용하여 손동작을 감지하고 신체적 및 인지적 장애를 지닌 사람들을 이해하고 소통하는 기술 연구가 활발하게 이루어지고 있다. 센서의 우수한 민감도, 기계적 유연성 및 내구성, 신축성과 빠른 응답 시간은 이러한 시스템을 구현하기 위해서는 필수적이다.
다년간 신체 촉각 감지 기능을 모방한 용량성, 압저항, 압전특성 등을 이용한 다양한 고감도의 유연 압력 센서가 개발되었으나 이들 센서들의 동작을 위해서는 외부 전원 공급원이 필요하다는 단점이 있었다. 또한 2차 전지와 같은 전기화학 배터리는 수명이 제한되어 있고 교체 및 재충전이 필요하며 폐기로 인한 환경 오염의 문제가 있었다. 이러한 문제들을 해결하기 위해 인체 움직임을 통한 친환경 에너지 수확기술은 무전원 웨어러블 센서를 위한 자가전원으로 대체될 수 있어 주목받고 있다.
가장 활발하게 연구가 이루어지고 있는 에너지 수확 기술에는 압전, 전자기, 마찰전기 에너지 수확 기술이 있으며 마찰전기 에너지 수확 기술은 낮은 전류에 비해 상대적으로 높은 전압을 생성한다. 또한 마찰전기 기반 압력 센서는 높은 기계적 강도, 광범위한 재료 선택, 간단한 기계적 구조 및 마이크로/나노 구조의 표면 변형을 통한 우수한 민감도를 얻을 수 있어서 주목받고 있는 소자이다.
<박재영 교수(좌)와 푸카르 박사과정(우)>
박재영 교수 연구팀은 피부 속의 표피-진피 구조를 모방하여 설계한 미세구조의 마찰전기 층을 엠보싱 기술과 에머리 종이 템플릿을 이용하여 테프론과 나일론 필름 소재에 제작하였고, 구리 전극 필름과 적층하여 쉽게 무전원 유연 압력 센서를 제작하였다. 연구팀은 손가락의 움직임을 상세하게 감지 및 제어하기 위한 스마트 글러브(고감도의 소형 유연 압력 센서를 각 손가락 관절 마디에 부착하여 제작된 글러브), 마이크로 컨트롤러 및 저전력 블루투스를 포함한 무전원 무선 손동작 인식 시스템을 제작하였고 손의 움직임을 스마트폰을 이용하여 음성 및 텍스트로 변환하는데 성공했다.
제작된 센서는 5 MΩ의 부하저항에서 781.25 μW의 최대 전력, 0.77 VkPa-1의 민감도, 10만번 이상의 반복테스트에서 균일한 성능을 보일 정도로 안정성을 보였으며, 유연 압력 센서를 이용하여 제작된 스마트 글러브의 데이터를 저전력 블루투스를 통해 스마트폰으로 전송하여 음성 및 텍스트로 변환하는데 성공했다.
<인체구조 모방을 통한 마찰전기 기반 고감도 유연 압력 센서와 무선 수화 통역을 위한 스마트 글러브 시연 개략도>
한편, 이번 연구는 산업통상자원부의 산업기술혁신사업(20000773)과 과학기술정보통신부의 바이오·의료 기술개발사업 (2017M3A9F1031270) 및 광운대학교의 교내연구비 지원으로 수행되었고, 연구 결과는 세계 최고의 에너지 연구 전문저널인 ELSEVIER 출판의 Nano Energy (IF: 16.602)에 게재되었다.
Web link : https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.105071
