무전원 초정밀 인공피부센서 개발

한창수 교수(고려대학교) 연구팀이 인체의 감각기관을 원형에 가깝게 모사하여 전원 없이 작동하는 초정밀 인공피부센서*를 개발했다고 과학기술정보통신부(장관 유영민)은 밝혔다.

* 인공피부센서(artificial skin sensor) : 외부의 물리적인 접촉에 의해 전달되는 압력, 진동, 터치 등을 측정하는 센서

이 연구는 국제학술지 어드밴스드 머터리얼스(Advanced Materials) 2월 9일에 게재되었다.

※ 논문명 : A Self-Powered Sensor Mimicking Slow- and Fast-Adapting Cutaneous Mechanoreceptors 

※ 주저자 : 한창수 교수(교신저자, 고려대), 전경용 교수(제1저자, 고려대)

최근 압력 및 터치 센서가 의료, 자동차, 항공, 가전, 환경 등 다양한 분야에 활용됨에 따라 고민감 센서에 대한 관심이 높아지고 있으나, 현재까지 개발된 센서는 낮은 감도, 높은 구동전력 등의 문제를 가지고 있어 개선이 필요하다.

연구팀이 개발한 피부센서는 외부 자극에 의해 이온이 이동하면서 신호가 전달되는 원리를 이용함으로서 별도의 에너지원 없이 구동될 수 있으며, 자극에 대한 빠른적응*ㆍ느린적응*의 두 가지 신호를 동시에 측정함으로써 혈압, 심전도, 물체 표면의 특징, 점자의 구별 등 매우 정밀한 감지 능력을 보였다. 

* 빠른적응(Fast adapting) : 자극이 시작된 시점과 끝나는 시점에서만 반응신호가 발생하는 특성

* 느린적응(Slow adapting) : 자극이 시작돼서 끝나는 시점까지 연속적으로 반응신호가 발생하는 특성

한창수 교수는 “이 연구는 기존 실리콘 기반 방식과 다른 새로운 패러다임의 센서”라며, “생체신호 측정, 로봇피부의 성능 개발 및 개선에 기여하고, IoT와 연계하여 무전원 고감도의 센싱   모니터링 체계를 구축하여 다양한 산업분야에 적용될 것으로  기대된다”라고 연구 의의를 설명했다.

이 연구는 과학기술정보통신부 기초연구지원사업(개인·집단연구) 및 글로벌프론티어지원사업의 지원으로 수행되었다.


논문의 주요 내용

□ 논문명, 저자정보

  - 논문명 : A Self-Powered Sensor Mimicking Slow- and Fast-Adapting Cutaneous Mechanoreceptors
  - 저  자 : 한창수 교수(교신저자, 고려대), 전경용 교수(제1저자, 고려대), 손영준 박사과정(공동저자, 고려대), 전은석 석사과정(공동저자, 고려대), 이세한 박사(공동저자, 고려대)

□ 논문의 주요 내용

1. 연구의 필요성

 ○ 인체는 여러 종류의 피부 감각 수용기(Receptor)*를 통해 압력, 진동, 터치, 인장 등 다양한 감각을 동시에 측정하며, 특히 감각 수용기는 빠른적응과 느린적응의 두 종류 신호 발생을 이용해 복잡한 자극을 매우 명확하게 구별한다.

    * 수용기(receptor) : 외부의 자극이 들어왔을 때, 자극에 반응하여 물리적, 화학적 방법으로 이온채널을 열리게 하거나 작동하게 하는 구조물

 ○ 최근에는 생체 피부감각기관을 모방한 다양한 형태의 압력 및 터치의 감지를 측정할 수 있는 무전원 고민감 센서에 관한 관심이 높아지고 있다.

 ○ 압력 및 터치 센서는 다양한 환경에서의 힘에 의한 변형 혹은 미세한 압력, 진동 및 터치를 감지함으로써 의료, 자동차, 항공, 가전, 환경 등의 폭넓은 분야에서 활용되고 있다.

2. 연구 내용

 ○ 감각기관은 수용기, 전해질*, 이온채널*의 세가지 기본 구성요소로 이루어져 있으며, 감각신호는 전해질 안의 이온이 이온채널을 지나가면서 발생하게 되는데, 이 연구에서는 위 요소들을 모두 모방한 무전원 이온채널 피부센서를 구현하였다.

    * 전해질(electrolyte) : 용액에 녹은 상태에서 이온으로 쪼개져 전류를 흐르게 할 수 있는 물질

    * 이온채널(ion channel) : 세포막에 있는 기공 형태의 단백질. 이곳을 통해 이온이나 물 분자가 세포 내·외부로 이송되며, 특히 이온이 이동할 때 신호가 발생하고 이를 뇌가 인지함으로써 감각을 느낌.

 ○ 기존의 실리콘기반의 감지소자에서 발견되는 낮은 감도, 높은 구동전력, 높은 내부저항 등을 극복하고, 새로운 패러다임의 무전원 피부센서를 개발하였다.

 ○ 연구팀은 외부 자극을 동력원으로 이용하는 무전원 이온채널소자를 구현하였고, 동시에 빠른적응과 느린적응의 두 가지 신호유형을 동시에 얻음으로써 보다 정확하게 촉각 자극을 인지하는 것이 가능하였다.

 ○ 이러한 센서의 특성을 활용하여 혈압, 심전도, 물체 표면의 특징, 물건의 접촉 상황 인지, 점자의 구별 등 인체피부의 정밀한 감각을 유사하게 구현하였다.

3. 연구 성과

 ○ 인체 혈압을 유추할 수 있는 맥박을 무전원으로 매우 정확히 측정하는 데도 성공하였으며, 이는 기존 생체신호측정에서 가장 큰 문제인 전원 및 고민감도 이슈를 획기적으로 해결한 사례이며, 특히 인체 감각기관과 유사한 속도로 측정됨을  확인하였다.

 ○ 이 외에도 압력과 진동이 동시에 들어오는 자극을 각각 구별할 수 있으며, 점자와 같은 신호를 읽고 구별하는 것이 가능함을 보여주었다.

 ○ 연구팀이 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 보여주었고, 이러한 다양한 요소 구성을 통해 센서 분야에서 새로운 패러다임을 제시하고 이 분야의 학문적 돌파구를 제시할 수 있을 것으로 기대된다.

연 구 결 과  개 요

1. 연구배경

 ㅇ 이온 채널은 모든 살아있는 세포(living cells)에 생명을 유지하기 위해 꼭 필요하다. 이온 채널은 세포막(cell membranes)을 통한 이온의 전달을 연속적으로 수행한다. 이온 채널의 주요 기능은 항상성(homeostasis)을 유지하기 위하여 감각 기관(sensory organs)에서 필수불가결하다.

 ㅇ 기본적으로 수용기(receptor)가 열, 빛, 냄새, 소리, 및 압력과 같은 다양한  환경적 힘으로부터 자극되어 활성화된 경우, 이온 채널은 세포막을 통과하는 이온 운동에 의하여 발생된 전기 신호를 신경에 제공한다.

 ㅇ 외부 자극을 감지하는 생물학적 이온 채널 시스템은 수용기(receptors)와 기공(pores)으로 구성된다. 수용기는 외부 자극에 의하여 트리거(trigger)되고,  기공은 이온 전달을 위한 경로를 제공하는 기능을 전기화학적으로 수행한다.

 ㅇ 이온 채널은 다음과 같은 중요한 성질을 가진다. 첫째로, 이온 채널은 원활한 동작을 위하여 에너지원이 거의 필요하지 않는다는 의미에서 고무적이다.   둘째로, 다양한 수용기의 높은 선택 인식(highly selective recognition)이다. 또한, 발생되는 신호가 추가적인 증폭 시스템 또는 전자 회로 없이 전기화학적 구배(electrochemical gradient)에 따라 멤브레인을 통과하는 이온 전달로부터 얻어진다. 이온 채널은 최소의 에너지 소모와 매우 빠른 속도(> 108 s-1 : 이온, ~109 s-1 : 물)로 이온을 수송한다. 이러한 이온 채널은 가속도, 온도, 음파, 유체공학, 또한 압력을 포함한 물리적 변수를 모니터링함에 있어 고기능 센서로서 사용될 수 있다.

 ㅇ 인체 피부감각기관에서 특정 상황마다 발생되는 빠른적응과 느린적응 신호는 각 피부소체에 맞게 구분되어 뇌로 전달되며 이러한 작동메커니즘은 인체피부의 기능을 매우 효율적이고, 항상적으로 유지시킨다.

 ㅇ 이 연구에서는 외부 전원 없이 자체동력으로 구동되어 빠른적응과 느린적응 특성을 동시에 측정하는 고민감성 및 고선택성의 이온채널 피부센서를 구현하였다.

2. 연구내용 및 기대효과

 ㅇ 연구팀은 인체 피부감각기관을 모방하여 전력발생부, 압력 수용기, 전해질,  기공막의 네 가지 요소를 결합하여 두 가지 피부감각기관 신호를 발생시키는 무전원의 고감도 피부센서를 구현하였다.

 ㅇ 특히, 자체동력을 위해 압전필름을 이용하였고, 압력 인가시 압전필름부에서 발생하는 빠른적응신호와 이온채널부에서 발생되는 느린적응 신호의 두가지 신호를 통해 보다 상황판단을 정확히 하고, 다중 촉각 자극에 대해 인지할 수 있는 센서 기능을 연구하였다. 특히, 혈압이나 심전도를 동시에 측정할 수 있는 기반을 마련하였으며, 웨어러블 건강모니터링 및 향상된 로봇피부 개발을 앞당길 수 있으리라 생각한다.

 ㅇ 생체 피부 소체 중 느린적응 특성을 나타내는 메르켈 디스크(Merkel disk)의 경우 아주 작은 압력의 터치에 반응하는 소체인데 이러한 신호 유형은 본 이온채널 소자에서 이온채널부의 느린적응 곡선을 통해 구현할 수 있다.

 ㅇ 생체 피부 소체 중 빠른적응 특성을 나타내는 파시니언 소체(Pacinian corpuscle)의 경우 표면 질감이나 물건을 잡고 있는 기능과 같은 다양한 경우에 반응하는 소체인데 본 이온채널 소자에서 이온채널부의 느린적응 곡선 신호와 압전필름을 통해 발생되는 빠른적응 곡선의 상호 분석을 통해 보다 정확하게 파악할 수 있었다.

 ㅇ 기존의 전자회로 기반의 압력센서와는 달리 본 이온채널 기반센서는 습도에 영향 받을 수 있는 전자 회로, 증폭기, 전기적 요소를 요구하지 않기 때문에, 높은 습도 범위에서도 동작이 가능하다.

 ㅇ 실시간으로 인체 혈압 및 심탄도의 신호 유형을 모니터링 하였다. 직접적으로는 맥박을 구할 수 있으며, 간접적으로는 혈압을 유추할 수 있다.

 ㅇ 다양한 표면질감의 센싱, 진동에 따른 빠른응답 특성, 물체의 감각적 힘 유지, 점자의 인식 등 다양한 촉감관련 인지 연구를 통해 매우 넓은 분야로의 응용을 제시하였다.

★ 연구 이야기 ★

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

기존의 센서에서 발견되는 여러 가지 문제점에 대해 고민하고 생각하던 중, 생체에서 발현되는 다양한 외부 힘에 대해서 미묘하면서도 정확하고 안정적인 반응을 보면서 이를 모방하거나 모사하면 새로운 패러다임의 센서를 개발할 수 있지 않을까 하는 기대로 연구를 시작하게 되었고, 인체의 오감 중 촉각과 관련되는 피부센서에 대해 생체의 이온채널 시스템 및 기능적 우월함을 모방하여 이를 구현하고자 하였다.

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

이 과제의 책임자인 고려대학교 한창수 교수는 중견연구자지원사업, 글로벌프론티어사업, 선도연구센터(ERC)사업을 수행하며 생체모방형 이온채널 센서에 대한 광범위한 연구를 진행하였다. 또한 나노채널, 나노패턴, 나노 유동현상, 그래핀 나노 멤브레인 등의 연구를 선도적으로 수행했다. 이 연구는 우리 연구실의 연구교수인 전경용 박사를 통해 수행되었다.

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소가 있었다면 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

수용기, 전해질, 이온채널(나노, 마이크로 기공)의 인자로부터 구현되는 기본적 이온채널   시스템은 어느 정도 체계가 잡혀있었다. 그러나 자가구동할 수 있는 요소를 첨가하고, 전해질과 이온채널과의 물리적, 기계적 현상에 대해 매우 깊은 연구가 필요하였다. 또한, 생체 피부신호와 유사한 두 가지 응답신호가 고기능 센서 구현에 있어서 왜 필요한가를 이해하고, 이를 실현하기 위해 어떤 방법으로 구현할지에 대한 아이디어를 얻는 것이 매우 어려웠으며, 생체시스템에 대한 보다 깊은 이해와 많은 실험적 시행착오 거쳐 이를 해결하였다. 

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

기존의 전기회로 방식의 반도체 센서와 달리 이온채널 기반 센서는 전기회로나 다른 부수적인 장치가 필요하지 않으며, 특히 무전원으로 매우 정교한 피부감각의 특성을 구현했다는 점이 매우 고무적이다. 또한 복합적인 자극을 동시에 다른 방식으로 측정해 자극을 구별하는 보다 명확한 신호를 얻을 수 있다는 것이 색다른 결과이다.

□ 꼭 이루고 싶은 목표와, 향후 연구계획은?

향후 연구계획은 실질적으로 인체에 무해하게 부착은 물론 삽입이 가능한 혈압 및 심전도 측정용 무전원, 무선 센싱 모니터링 기술을 확립하는 것이다.

□ 기타 특별한 에피소드가 있었다면?

무전원에서 일정한 압력 인가시 두가지 신호가 동시에 측정될 때 연구 호르몬이 왕성히 분배되었다.

용 어 설 명

1. Advanced Materials 誌

 ○ Advanced Materials는 과학 분야에서 최상위 학술지의 하나로서 1989년도부터 출판되었으며, 학술지표 평가기관인 Thomson JCR 기준 전 세계 화학, 물리 분야 (Chemistry, Physical) 학술지 중 1.37%에 해당하는 영향지수 (Impact Factor 19.79)를 가지고 있다.

2. 이온채널 (Ion Channel)

 ○ 세포막에 있는 단백질로서 기공의 형태를 가지고 있으며, 이 채널을 통해 이온이나 물분자를 세포 내/외부로 이송하는 역할을 한다. 인체 감각기관도 자극을 받아들이는 부분과 이온채널이 결합된 구조로 되어 있으며, 이온채널에서 이온이 움직일 때 발생하는 신호를 신경을 통해 뇌가 인지하게 된다. 

3. 인공피부센서(artificial skin sensor)

 ○ 외부의 물리적인 접촉에 의해 전달되는 압력, 진동, 터치 등을 측정하는 센서이다.

4. 빠른적응(Fast adapting), 느린적응(Slow adapting)

 ○ 빠른적응은 자극이 시작된 시점과 끝나는 시점에서만 반응신호가 발생하는 특성, 느린적응은 자극이 시작돼서 끝나는 시점까지 연속적으로 반응신호가 발생하는 특성이다.

5. 수용기 (receptor)

 ○ 외부의 자극이 들어왔을 때, 자극에 반응하여 물리적, 화학적 방법으로 이온채널을 열리게 하거나 작동하게 하는 구조물을 말한다. 생체내에는 외부 자극에 대한 다양한 종류(화학적, 물리적, 기계적)의 수용기가 존재한다.

 
6. 전해질 (electrolyte)

 ○ 용액에 녹은 상태에서 이온으로 쪼개져 전류를 흐르게 할 수 있는 물질로서, 이 연구에서는 세가지 전해질을 사용함으로써 압력센서 특성의 다양성을 보여주었다.

7. 피부 압력센서 (skin pressure sensor)

 ○ 외부의 물리적인 접촉에 의해 전달되는 압력을 측정하는 센서로 Pa(Pascal)을 단위로 사용하고 있다. 이 연구에서는 미세한 압력범위 (<1 kPa)에서는 저전력으로, 일정한 압력 범위 (100~10,000 Pa) 에서는 무전원으로 압력을 센싱하였다.

그 림 설 명

그림 1. 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).

그림 2. 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

그림 3. 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

그림 4. 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.

한창수 교수(교신저자) 이력사항

1. 인적사항

○ 소 속 : 고려대학교
○ 전 화 : 02-3290-3354
○ e-mail : cshan@korea.ac.kr

2. 학력
 ○ 2000년 한국과학기술원 박사 (기계공학)

3. 경력사항
 ○ 2011 ~ 현재 : 고려대학교 기계공학부 정교수
 ○ 2000 ~ 2011 : 한국기계연구원 책임연구원
 ○ 1989 ~ 1995 : 삼성전자 기술총괄 주임연구원
 ○ 2013 ~ 현재 : Int. J. Prec. Eng. Manuf. (IJPEM), editor
 ○ 2013 ~ 2017 : 대한기계학회집(국문), 편집인

4. 전문분야 정보
 ○ 나노소재 응용 연구

5. 연구지원 정보 
 ○ 2015 ~ 2018 : 과학기술정보통신부 기초연구지원사업(개인연구)
 ○ 2011 ~ 현재 : 과학기술정보통신부 글로벌프론티어사업
 ○ 2016 ~ 현재 : 과학기술정보통신부 기초연구지원사업(집단연구)