촉감, 촉각 증강기술을 로봇이나 가상현실(VR)·증강현실(AR)에 활용하는 핵심 기반이 개발됐다.
한국과학기술원(KAIST·총장 신성철)은 홍승범 신소재공학과 교수팀이 3D 나노 구조체를 활용해 탄성 변형률이 기존 대비 3배 향상된 압전 세라믹 소재를 개발했다고 2일 밝혔다.
이는 최근 주목받는 촉감 구현 및 증강 기술 영역이다. 촉각 증강 기술은 의료용 로봇이 주축인 로봇 기술, 촉각으로 정보를 전달하는 햅틱 디스플레이, 햅틱 장갑 등 정보 전달 기술에 활용할 수 있다.
촉각 증강 분야에서는 압전 재료 활용이 필수다. 압전 재료는 전기 에너지를 기계 에너지로, 기계 에너지를 전기 에너지로 변환하는 소재다. 사용자에게 촉각을 전달하거나 움직임을 전기 신호로 변형한다. 중요 특징은 압전 계수와 탄성 변형률이다. 압전 계수는 기계적 힘과 전기 전하량 간 변환 효율을 나타내는 수치다. 탄성 변형률은 변형 한계를 나타내는 수치다. 촉각 증강 기술로 활용하려면 이들 모두가 높은 압전 소재를 개발해야 한다.
그러나 압전 세라믹 소재의 경우 압전 계수는 높으나 탄성 변형률이 낮고, 고분자 소재는 탄성 변형률은 높으나 압전 계수가 낮다. 아직 실용화 단계까지는 이르지 못하고 있다.
연구팀은 근접장 나노 패터닝(PnP) 기술, 원자층 증착(ALD) 기술을 이용해 속이 빈 그물망 구조인 '3차원 나노 트러스 구조'를 갖는 산화물 아연 세라믹을 제작했다. 또 이 구조체의 우수한 특성을 입증하는데 성공했다.
연구팀이 개발한 압전 아연 산화물 구조체는 100나노미터(㎚) 이하 두께를 가진다. 내부 결함의 크기를 ㎚ 단위로 제한, 강도를 증가시켰다. 탄성 변형률은 10% 수준이다. 압전 계수 아연 산화물보다 2배 이상 더 큰 값을 나타냈다.
특히 이 구조체의 탄성 변형률 증가는 아연 산화물 외에도 다양한 압전 세라믹 소재에 적용할 수 있다. 유연 센서와 액추에이터에 압전 세라믹을 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
홍승범 교수는 “이번 연구 결과를 촉각 증강 소자에 바로 적용하기에는 공정적인 측면에서 다소 보강작업이 필요하다”며 “다만 기계적 한계를 극복해 압전 세라믹 소자로의 응용 가능성을 연 것에 의미가 있다”고 말했다.
이번 연구에는 신소재공학과의 김훈 박사과정, 윤석중 박사과정, 김기선 박사가 공동 제1 저자로 참여했다. 전석우 신소재공학과 교수와 한승민 교수 연구팀과 함께 연구했다. 연구 결과는 국제 학술지 나노 에너지(Nano Energy)에 게재됐다.
대전=김영준기자 kyj85@etnews.com
