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전자 피부, 또 하나의 생명을 불어 넣다!

2015. 10. 23. 09:30


안녕하세요? LG CNS 대학생 기자단 석승연입니다.


여러분은 ‘엑스 마키나(Ex Machina, 2015)’라는 영화를 보셨나요? 이 영화는 ‘에이바’라는 인공 지능 여자 로봇과 '칼렙'이라는 인간의 사랑을 주제로 하고 있습니다. 영화 속에서 여성의 겉모습을 지니고 있는 로봇 에이바의 얼굴과 손은 사람의 피부와 같은 인공 피부를 지니고 있는데요. 이제 이러한 인공 피부는 비단 영화 속에서만 볼 수 있는 것은 아닙니다. 


실제로 손가락으로 툭 치는 정도의 미세한 압력을 감지할 수 있는 인공 피부가 개발되었기 때문인데요. 이는 향후 의료 및 산업 등 많은 분야에서 활용될 것으로 예상하고 있습니다. 오늘은 이러한 전자 피부의 이모저모에 대해 함께 알아보겠습니다.  



전자 피부는 영어로 ‘Electronic Tatto(전자 문신)’라는 의미를 가지고 있는데요. 피부 전도도, 온도, 맥박 등 신체 상태를 확인하는 센서들이 붙어 있는 얇은 막입니다. 종이보다 얇은 전자 피부를 사람의 피부에 부착하면 혈류, 체온 등의 측정이 가능해 인체의 문제 여부를 확인할 수 있죠.   


최근 미국 일리노이 주립대의 존 로저(John Roger) 교수는 전자기판 역할을 하는 1X2cm 크기의 극도로 얇은 박막에 안테나•트랜지스터•전류를 저장하는 코일 및 온도 센서로 구성된 전자 피부를 선보였습니다. 이를 활용하면 환자가 병원에 갈 필요 없이 집안에서 생활하면서 체온과 같은 데이터를 자동으로 병원으로 전송하는 것이 가능하다고 합니다.   


이 전자 피부는 매우 미세한 웨이브 패턴 조각이기 때문에 실제 피부와 흡사한 고무 같은 성질을 지니고 있습니다. 그리고 칩을 영화에서처럼 몸 속으로 박지 않고, 물을 묻혀 쉽게 피부에 붙이고 또 떼어낼 수 있다고 하는데요. 기존의 전자기판은 유리창처럼 딱딱하고, 잘 부러지는 성질로 인해 전자 피부의 용도로 사용하기 어려웠다면 이것은 실제 피부와 흡사해서 사용하기 좋다고 합니다.     



전자 피부도 웨어러블 디바이스의 일종인데요. 2012년 구글에서 '구글 글래스'라는 안경 형태의 웨어러블 디바이스를 출시한 이후 웨어러블 디바이스는 차세대 정보 기기로 주목받기 시작했습니다. 이에 따라 다양한 웨어러블 제품들이 지금도 경쟁적으로 출시되고 있죠.


현재 웨어러블 시장은 안경, 시계, 모자와 같은 액세서리 형태와 의류 제품이 주류를 이루고 있습니다. 뿐만 아니라 웨어러블 기술의 근본적인 장점인 '착용감'을 극대화하고 인간에게 도움을 주는 서비스를 제공하는 '신체 부착형 웨어러블 컴퓨터'도 등장했습니다. 전자 피부는 바로 이 신체 부착형 웨어러블 디바이스에 해당됩니다.      


이것은 피부에 부착하는 밴드 형태와 안구에 부착하는 콘택트렌즈 형태로 나뉘는데요. 초기에는 로봇에게 사용하는 인공 피부에서 출발하여 이제는 전자 피부와 같이 사람의 피부에 부착할 수 있는 디바이스 기술로 전개되고 있습니다.


이 밖에도 현재 전자 피부는 서로 다른 기술 요소들로 다양하게 개발되고 있는 상황입니다. 그러면 지금부터 다양한 특징을 가진 전자 피부들을 한번 살펴보겠습니다.   



<의료용 전자 피부 (출처: 미국 일리노이 공대)>


기존의 전자 피부는 의료용으로 개발되었습니다. 꾸준한 혈당 체크가 필요한 당뇨병 환자나 심장 박동 측정이 필요한 부정맥 환자들은 지속적인 모니터링이 필요하기 때문인데요. 


현재까지 개발된 의료용 전자 피부는 이러한 환자의 체온과 혈류의 변화를 측정합니다. 환자의 건강 상태를 확인하는 가장 기본 척도가 바로 신체의 온도와 혈류 변화이기 때문입니다.   



실제로 전자 피부를 활용한 체온 측정과 기존의 체온 진단 기기로 측정한 결과는 동일했다고 하는데요. 이는 향후 환자들이 매번 병원에 갈 필요 없이 집안에서 생활하면서 자동으로 데이터를 병원에 전달해 의사가 원격으로 진단할 수 있는 가능성을 제시해 주었습니다. 또한 기존의 값비싼 측정 장비들에 비해서 성능이나 효과 면에서도 뒤떨어지지 않는다는 것을 입증했다고도 할 수 있습니다.  


그러나 의료계는 체온 및 혈류 변화의 측정에만 특화된 전자 피부만으로는 활용도가 떨어질 것이라는 부정적인 의견을 내세우기도 하는데요. 현실적으로 의료용 전자 피부가 성공하려면, 혈당 측정, 나아가 혈액 속의 산소 농도와 백혈구의 수, 그리고 글루코스 수치까지도 측정할 수 있어야 한다고 합니다. 


덧붙여 단순한 측정 기기가 아닌 응급 구조 기능과 실시간 측정 가능 기능까지 수행할 수 있다면 그 활용도는 더 높아질 것으로 예상하고 있습니다. 



혈당 체크나 심장 박동수, 맥박 측정 등 의료용으로 개발되던 전자 피부는 최근 활동 영역을 넓히고 있는데요. 지금부터 소개할 것은 ‘소름 측정 전자 피부’입니다. 


이것은 말 그대로 공포심을 느끼거나 감동을 받을 때 피부에 돋는 소름을 측정하는 전자 피부입니다. 소름이 돋으면 피부의 입모근이 움직여 털이 서는데요. 이 때 지름 2mm, 높이 0.2mm인 원뿔형 입모근이 센서에 닿으면 전자 피부가 소름의 발생 속도와 크기를 측정하는 것입니다.


이 소름 센서는 문화 산업에도 활용될 수 있다고 하는데요. 공연이나 영화가 끝난 뒤, 박수나 환호성을 보는 대신 관객들의 소름이 얼마나 돋았는지 측정해 감동의 크기를 재는 것입니다. 사람들의 신체 변화로 영화나 연극의 감동의 크기를 재는 재미난 발상이라고 할 수 있습니다. 


이 외에도 독일 켐니츠 공대, 데니스 마카로프(Denys Makarov) 연구원은 지구 자기장을 인식할 수 있는 두께 2마이크로미터(1마이크로미터는 100만 분의 1m)인 전자 피부를 개발했습니다. 


이는 ‘폴리에틸렌 테레프타레이트’라는 합성 섬유에 자기장을 감지할 수 있는 센서를 붙인 것인데요. 이 전자 피부를 장갑에 붙이면 손바닥이 어느 방향을 가리키고 있는지 확인할 수 있다고 합니다. 


새나 곤충들이 자기장을 통해 자신의 실제 위치나 고도, 방향을 파악하는 것처럼 이 전자 피부를 부착하여 자신의 위치를 파악하는 것이죠. 모양도 사진과 같이 비눗방울 위에 뜰 정도로 굉장히 얇고 가벼우며, 쉽게 구부리거나 접을 수도 있다고 합니다. 


<쉽게 구부릴 수 있는 전자 피부 (출처: 네이처)>


또한 센서가 270% 이상 늘어날 수 있고 1,000회 이상 사용도 가능해 사람의 피부 말고도 화재나 재난 현장에서도 유용하게 이용될 수 있다고 하는데요. 이 전자 피부는 사용자의 촉각으로 피드백을 전달하는 대신, 연결된 LED 램프의 점등으로 작동 확인이 가능하다고 합니다.



이번에 소개할 전자 피부는 거미줄처럼 세밀하게 엮어서 만든 투병한 전자 피부입니다. 전자 피부는 웨어러블 디바이스 중 하나인 만큼, '착용감'에 성공 여부가 달려 있다고 해도 과언이 아닌데요. 따라서 눈에 띄지 않도록 자연스럽게 만드는 것이 매우 중요합니다.  


이에 따라 피부에 붙여도 티가 나지 않는 투명한 전자 피부가 개발되었습니다. 거미줄이 너무 얇아서 잘 보이지 않는다는 원리에 착안해 두께 500mm로 얇은 금속 나노선을 뽑아 투명 전극을 만든 것이죠.   


<투명한 전자 피부 (출처: UNIST)>


기존의 인듐 주석 산화물(ITO)이라는 재료로 만든 투명 전극은 유리처럼 쉽게 깨지고 늘어나거나 휘어지지 않기 때문에 웨어러블 기기에 적용하기에는 한계가 있었습니다. 하지만 탄소 원자가 벌집 모양으로 배열된 얇은 막으로 신축성과 전도성이 높은 '그래핀'과 '금속 섬유' 두 물질을 통해 개발한 투명 전자 피부는 셀로판 테이프처럼 투명하고 얇은데다가 기존의 투명 전극보다 저항값은 250배나 낮습니다.  


이 투명한 전자 피부는 웨어러블 제품은 물론, 동물 피부나 유리, 나뭇잎 등에도 부착이 가능하다고 하는데요. 향후 인간이 접근하기 어려운 지역의 온도나 습도를 측정하고, 유독 가스나 방사능에 오염된 지역에서 유해 물질을 사람 대신 감지하는 역할을 할 것으로 예상하고 있습니다.


마지막으로 살펴볼 전자 피부는 냄새 맡는 전자 피부입니다. 기존의 전자 피부들은 대부분 압력, 응력, 터치와 같이 촉각형 자극에 대한 반응만 가능했는데요. 이제는 인간의 피부가 감지하지 못하는 유해 가스 냄새나 물질을 분별하는 전자 피부가 개발되었습니다. 


이것은 '전기용량'의 특성을 이용한 것인데요. 촉각뿐만 아니라 온도, 습도, 유해 가스, 유기 용매에 의해서도 전기용량이 조금씩 달라진다는 점에 착안해 미세한 변화를 감지할 수 있는 센서 기술을 구현한 것입니다. 


즉 전기 전도도와 탄성이 높은 탄소 나노 튜브 섬유를 합성하고, 이를 이용해 전기용량 변화를 감지하는 웨어러블 소자를 이용한 것이죠. 이렇게 해서 만든 전자 피부는 피부와 같이 휘어지고 늘어나는 특성을 가지면서, 촉각 감지 중심의 전자 피부와 달리 촉각과 후각을 동시에 감지하는 것이 가능합니다. 또한 기존의 전자 피부들과 달리, 온도와 습도 변화를 감지할 수 있다는 점도 하나의 큰 특징이라고 할 수 있습니다. 


냄새 맡는 전자 피부는 향후 차세대 플렉서블 디스플레이 개발과 극한 환경, 사고 감지용 스마트 로봇 개발의 가능성을 열어 주었습니다. 이는 인간 친화적 전자 기기 구현을 위한 원천 기술로 응용되어 향후 큰 부가가치를 창출할 것으로 기대하고 있습니다.   


지금까지 전자 피부의 정의, 다양한 특성을 지닌 전자 피부들, 향후 활용 방안 등에 대해 함께 살펴보았습니다. 


전자 피부는 아직 완벽하게 개발된 것은 아니지만 앞으로 의료 분야뿐만 아니라 다양한 분야에서 큰 활약을 할 것으로 기대하고 있습니다. 예를 들어 유해 가스 공장의 생산 라인 투입, 촉감을 느낄 수 있는 의족 제작, 실감나는 게임 환경 개발 등이 바로 그것이죠. 


하지만 실제로 상용화를 위해서는 아직 풀어야 할 숙제들이 많이 남아 있습니다. 고성능의 신체 부착형 웨어러블 디바이스로의 발전을 위해서는 웨어러블 컴퓨터가 요구하는 유연성, 신축성, 전원 공급 기술, 탈부착 기술과 같은 핵심 요소를 지녀야 합니다. 신체 일부에 탈부착이 용이하게 제작된다면 전자 피부는 더 다양한 분야에서 활용될 수 있을 것입니다. 앞으로 다양한 분야에서 전자 피부의 활약을 기대해 봅니다! 






Posted by IT로 만드는 새로운 미래를 열어갑니다 LG CNS

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