그래핀과 마이크로 광기계 시스템을 활용한 광학식 압력센서 작동 개념도(ETRI 제공)© News1

국내 연구진이 사람의 피부에서 느끼는 촉각이나 압력을 보다 정밀하고 정확하게 제어할 수 있는 소자 원천기술 개발에 성공, 향후 로봇이나 장애인에게 인공피부를 적용할 수 있는 발판을 마련했다.한국전자통신연구원(ETRI)은 빛의 편광 현상을 이용해 통신을 할 때 수평, 수직의 전기장 모두를 활용해 전송 용량을 2배 증가시키는 '1cm x 1cm 광소자' 개발에 성공했다고 4일 밝혔다.

ETRI는 나노미터(nm‧1nm는 10억 분의 1m) 두께의 극초박막 형태의 신물질로 큰 관심을 끌고 있는 이차원(2D) 반도체 물질 그래핀과 평면형 광회로 소자를 접목해 능동적으로 편광을 조절하는 소자의 핵심 기술을 개발했다.

기존 연구진이 보유하고 있던 그래핀 합성기술과 광학적 제어 원천기술이 활용됐다.

편광현상이란 빛이 진행할 때 빛의 전기장 진동방향이 한 쪽 방향으로만 존재하는 것을 말한다. 이때 그래핀을 이용해 편광소자를 만들면 전기장의 진동방향이 수평(TE)하거나 수직(TM)인 편광을 만들 수 있다.

기존 편광소자는 한 종류의 편광만을 영구적으로 결정해야 했기에 필요에 따라 수직 또는 수평 편광을 선택할 수 없었다.

그래핀을 이용한 능동 선택 편광기 작동 개념도(ETRI 제공)© News1

이에 연구진은 마이크로 광기계 시스템 기술을 활용해 하나의 소자에서 수평과 수직 어느 방향으로도 자유로이 선택해서 쓸 수 있는 소자를 만들었다. 편광 선택이 가능하게 된 셈이다.

편광을 다양하게 선택할 수 있는 소자를 사용한 광통신 시스템은 광신호마다 수직, 수평 편광에 각각 다른 신호를 실어 정보를 동시에 송·수신할 수 있기에 전송량을 획기적으로 증가시킬 수 있다.

연구진은 이를 기반으로 향후 압력 변화를 광학적으로 감지할 수 있는‘광학식 압력 센서’를 개발할 계획이다.

기존 압력 센서는 주로 전기식이었다. 전기식의 경우 간섭이 심하고, 정전용량(Capacitance)에 맞는 소자를 활용 시 소자가 단단해지는 문제점들이 있다.

연구진은 전기식이 아닌 광학식 소자를 활용함으로써 이러한 문제점들을 해소할 계획이다.

광소자의 경우 전기는 읽는 데만 사용하고 빛을 중간 매개체로 활용해 소자의 강도가 달라지는 것을 방지한다.

때문에 이 기술을 응용하면 인공 피부에 적용하는 것도 가능하다. 압축이 잘 되는 고무나 스프링 등 압력 제어 물질에 광학식 압력 센서를 부착하면 누르는 정도에 따라 달라지는 광신호를 감지할 수 있기 때문이다.

로봇이 사과와 같은 과일을 쥘 때 얼마만큼의 압력을 주어야 사과가 뭉개지지 않는지를 인식하게 되는 것이다.

또 피부의 감각을 잃어버린 사람도 센서의 도움을 받아 뇌와 통신을 하면 누군가 나의 피부를 접촉하는 느낌도 알 수 있게 될 것으로 보인다.

연구진은 이 같이 광학식 압력 센서기술이 발전되면 향후 로봇의 인공피부 적용 및 개발이 보다 손쉬워질 것으로 내다봤다.

또 그동안 손가락이 구부러지는 곳 등은 소자를 활용하기 어려워 개발에 차질이 있었는데 광소자는 빛이 지나가는 매질만 만들면 유연한 제품도 개발이 가능하다고 설명했다.

한 제품도 개발이 가능하다고 말했다. ETRI 김승환 바이오IT연구본부장은 “향후 인공피부에 적용 가능하도록 본격적으로 연구개발 할 계획”이라며 “촉각센서를 개발해 보다 넓은 범위에서 미끄러짐이나 압력을 인공적으로 구현하는 것이 최종 목표다”고 말했다.

이번 연구 성과는 독일 와일리(Wiley-VCH) 출판사의 광학 기술 국제학술지‘레이저 광학 리뷰’(LPOR)‘ 온라인 판에 실렸다.

ETRI 김진태 박사가 이번에 개발된 광소자의 형상을 현미경으로 관찰하고 있다.© News1

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