박재영 교수(전자공학과) 연구팀, 사람 피부처럼 느끼는 무전원 스마트 링 개발

- 사람 피부의 촉각 인식 원리를 모사하여 손가락의 움직임과 압력을 동시에 감지 및 모니터링 할 수 있는 무전원·자가발전형 웨어러블 하이브리드 센서 링 개발 -

- 웨어러블·헬스케어·수어 통역·로봇 촉각·VR/AR·스마트 IoT 인터페이스 등 차세대 인간-기계 상호작용(HMI)등에 폭 넓게 활용 기대 -

- 국제 저명 학술지, 와일리 출판의 어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈에 논문(IF: 19) 게재 -

(좌)박재영 교수 (우)오마르 박사과정생

본교 전자공학과 박재영 교수 연구팀이 사람의 피부처럼 ‘촉각’을 느끼고, 별도의 배터리 없이 스스로 전기를 만들어 작동하는 차세대 웨어러블 디바이스 ‘하이브리드 스마트 핑거 링(Hybrid Smart Finger Ring, HSF-Ring)’을 개발했다. 이번 연구는 인간과 기계의 상호작용(Human-Machine Interface, HMI) 방식을 혁신적으로 바꿀 수 있는 차세대 웨어러블 기술로 주목받고 있다.

연구팀이 개발한 HSF-Ring은 마찰전기(Triboelectric)와 이온트로닉(Iontric) 기술을 융합한 초소형 스마트 반지 형태의 디바이스로, 에너지 수확과 이중 모드 촉각 센싱을 하나의 플랫폼에 동시에 구현한 것이 가장 큰 특징이다. 기존 웨어러블 기기는 대부분 배터리나 외부 전원이 반드시 필요했지만, 이번에 개발된 스마트 링은 손가락의 일상적인 움직임만으로 스스로 전기를 생성해 별도의 전원 없이도 지속적으로 작동할 수 있다.

특히 이 기술은 사람의 피부가 촉각을 인식하는 방식을 모사한 ‘생체모사(Biomimetic) 설계’가 핵심이다. 사람의 피부에는 움직임을 감지하는 수용체와 지속적인 압력을 감지하는 수용체가 각각 존재한다. 하지만 기존 웨어러블 센서는 대부분 한 가지 자극만 감지할 수 있거나, 복잡한 회로와 외부 전원이 필요해 실제 피부처럼 자연스러운 촉각 구현에 한계가 있었다.

연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 마찰전기 나노발전기(TENG)와 이온트로닉 압력센서(IPS)를 하나의 반지 구조에 통합했다. TENG는 손가락의 미세한 움직임에서 발생하는 기계적 에너지를 전기 신호로 변환해 동적 움직임 감지와 에너지 하베스팅을 동시에 수행한다. 반면 IPS는 레이저로 가공한 그래핀과 이온성 액체가 주입된 나노섬유막을 이용해 정적인 압력까지 정밀하게 측정할 수 있다. 이를 통해 사용자는 손가락의 ‘움직임’과 ‘누르는 힘’을 동시에 감지할 수 있으며, 완전한 무전원·자가발전형 센싱이 가능해졌다.

이번 연구의 또 다른 핵심 성과는 새로운 나노복합 소재 개발이다. 연구팀은 기능화된 하이브리드 다공성 탄소를 실리콘 매트릭스 내부에 삽입한 새로운 복합소재를 개발해 전하 생성, 저장, 유전 특성을 크게 향상시켰다. 그 결과 기존 실리콘 기반 마찰전기 소자 대비 약 3배 높은 0.82 W/m²의 출력 밀도를 달성했으며, 미세한 압력 변화도 매우 민감하게 감지할 수 있었다.

또한 미세 구조 표면 설계를 통해 손가락에 자연스럽게 밀착되면서도 착용감이 우수하고, 수만 회 이상의 반복 사용 후에도 안정적인 성능을 유지했다. 압력센서는 저압 영역에서 약 15pF/kPa의 높은 감도를 보였으며, 빠른 응답 속도와 회복 속도도 확보했다. 두 센서가 결합된 결과, 동적 감도는 2.41 V/kPa, 정적 감도는 –99.84 mV/kPa에 이르는 높은 성능과 우수한 선형성을 나타냈다.

첨단 인간-기계 상호작용을 위한 자가발전 기반 정적·동적 촉각 감지가 가능한 웨어러블 마찰전기-이온트로닉 하이브리드 스마트 핑거 링 및 그 응용

이번 기술은 실제 산업 및 사회적 활용 가능성도 매우 높다. 대표적으로 청각장애인을 위한 실시간 수어 통역 시스템에 적용될 수 있다. 기존의 카메라 기반 수어 인식 시스템과 달리, 스마트 링은 손가락 움직임 자체를 직접 디지털 신호로 변환하기 때문에 더욱 휴대가 간편하고, 사생활 보호 측면에서도 유리하다. 이를 통해 보다 자연스럽고 실용적인 의사소통 도구로 활용될 수 있다.

또한 로봇공학 및 의수·의족 분야에서는 기계가 사람처럼 촉각을 인식하도록 도와 물체를 더욱 정밀하게 다루고, 인간과 로봇 간의 안전한 상호작용을 가능하게 할 수 있다. 가상현실(VR)과 증강현실(AR) 분야에서는 별도의 컨트롤러 없이 손동작만으로 디지털 환경을 제어할 수 있어 더욱 몰입감 있는 사용자 경험을 제공할 수 있다. 실제 시연에서는 사용자가 자연스러운 손가락 움직임만으로 모바일 게임을 조작하는 데 성공했으며, 이는 향후 스마트홈, 산업 자동화 시스템, IoT 기반 환경 제어 등 다양한 분야에서 핵심 인터페이스로 활용될 가능성을 보여주었다.

박재영 교수는 “이번 연구는 단순한 웨어러블 기기를 넘어, 인간의 감각 인식과 디지털 시스템을 자연스럽게 연결하는 차세대 플랫폼 기술”이라며 “첨단 소재 기술과 지능형 설계를 기반으로 미래형 인간-기계 인터페이스의 새로운 방향을 제시했다”고 설명했다.

이번 연구는 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단 중견연구자 지원사업(RS-2024-00351167) 및 한국산업기술진흥원의 산업기술혁신사업(RS-2022-00154983, 저전력 센서와 구동을 위한 자립형전원 센서 플랫폼 개발) 으로 수행되었고, 연구 결과는 세계 최고의 소재 및 소자 전문 저널인 와일리(WILEY) 출판의 어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials, IF: 19)지에 게재되었다.