깨지기 쉬운 액정화면 부드럽게 터치하는 인공손가락 개발
깨지기 쉬운 액정화면 부드럽게 터치하는 인공손가락 개발
전자피아노 연주, 전자책 넘기기, 화면 스크롤 내리기 시연 성공
  • 임도이
  • admin@hkn24.com
  • 승인 2020.11.05 15:23
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소프트 터치용 인공 손가락 개념도
소프트 터치용 인공 손가락 개념도

[헬스코리아뉴스 / 임도이] 국내 연구진이 액정 같이 깨어지기 쉬운 화면을 부드럽게 터치해 다양한 작업을 할 수 있는 인공손가락을 선보였다.

한국과학기술원 기계공학과 오일권 교수 연구팀은 5일 스마트폰이나 햅틱 반응형 디스플레이를 정교하게 터치할 수 있는 소프트 터치 액츄에이터(전기적 신호를 기계적 운동으로 변환하는 장치) 기술을 개발했다고 밝혔다.

연구팀은 부드럽고 얇은 박막형의 소프트 터치 액츄에이터를 원격으로 조정, 스마트폰 화면 위에서 전자피아노 연주하기, 전자책 넘기기, 화면스크롤하기 등을 시연해냈다.

일종의 디지털 촉각인 ‘햅틱’을 구현, 사람 또는 전자디바이스와 섬세한 피드백을 주고받는 한편 가상현실이나 증강현실을 보다 실감나게 하려는 연구가 활발하다.

주로 부드러운 인공근육 기반 소프트 액츄에이터에 대한 연구가 많이 이뤄지고 있지만, 낮은 전압에서는 반응속도가 너무 느려 터치형 액츄에이터로 활용하기에 어려움이 있었다.

인체에 나쁜 영향을 주거나 디바이스의 오작동을 유발하지 않으면서 터치 피드백을 주고받기 위해서는 저전압 구동이 전제되어야 하기 때문이다.

연구팀은 저전압에서도 빠르게 반응할 수 있는 높은 효율의 소프트 액츄에이터를 위한 새로운 소재를 물색했다. 이를 위해 유연성을 위해 금속을 배제한 공유결합으로 된 다공성 고리화합물(트라이어진 고리)을 합성하고 널리 쓰이는 전도성 고분자(PE DOT-PSS)를 결합했다. 트라이어진 고리(Covalent Triazine Framework, CTF)는 다공성 내인성 미세조도(PIM-1) 고분자로 이루어진 물질을 말한다. 

실제 이 소재의 액츄에이터로 만든 인공손가락은 낮은 전압(±0.5V)으로도 빠르게 큰 변형을 만들 수 있어 부드러운 터치반응을 유도할 수 있었다.

핵심은 다공성 탄소구조체로 인해 비표면적을 극대화한 것이다. 비표적을 넓혀 표면전하량을 늘리는 한편 작동속도와 반응성도 높일 수 있었다. 연구팀은 실제 0.5V에서 17mm 정도 구부러지는 변형을 확인했다고 설명했다.

개발된 소프트 터치 액츄에이터를 배열형태로 확장하여 스마트폰 전자피아노 어플리케이션 위에서 연속적 터치를 통해서 ‘Happy Birthday’를 연주하였으며 전자책넘기기와 화면스크롤 기능 등을 구현했다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 리더연구사업(창의연구)의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)’ 10월 23일자에 게재되었다.

 

스마트폰 피아노 어플리케이션 위에서 Happy Birthday를 연주하는 인공손가락
스마트폰 피아노 어플리케이션 위에서 Happy Birthday를 연주하는 인공손가락
CTF 합성방법 (a) 다공성 CTF는 PIM-1을 기반으로 400, 500, 600℃(TP4, TP5, TP6)에서 합성되었다. 최종 3차원 고리는 질소와 산소 원자에 의해 농축된 3차원 전도성 다공성 네트워크다. 합성된 CTF는 높은 전기전도도와 초고속충전 저장 용량, 넓은 표면적의 특징으로 작동기의 성능을 크게 향상시켰다.(b) 인공 손가락의 작동 원리는 전해질의 양이온과 음이온의 부피 차를 이용한다. 전극에 전기 입력을 주면 양이온은 음극으로, 음이온은 양극으로 이동하여 굽힘이 발생한다.
CTF 합성방법
(a) 다공성 CTF는 PIM-1을 기반으로 400, 500, 600℃(TP4, TP5, TP6)에서 합성되었다. 최종 3차원 고리는 질소와 산소 원자에 의해 농축된 3차원 전도성 다공성 네트워크다. 합성된 CTF는 높은 전기전도도와 초고속충전 저장 용량, 넓은 표면적의 특징으로 작동기의 성능을 크게 향상시켰다.
(b) 인공 손가락의 작동 원리는 전해질의 양이온과 음이온의 부피 차를 이용한다. 전극에 전기 입력을 주면 양이온은 음극으로, 음이온은 양극으로 이동하여 굽힘이 발생한다.
인공 손가락의 성능 및 활용 방안                         (a-c) 600℃에서 열처리한 CTF를 포함하는 전극(TP6PP)으로 이루어진 작동기는 CTF를 포함하지 않는 전극으로 이루어진 작동기에 비해 굽힘이 약 2.2배 향상했다. (a) DC, (b-c) AC 자극에 제안된 CTF 기반 액추에이터는 200초 후에도 작동기의 굽힘 변위는 유지되었다.(d)  10개의 부드러운 액츄에이터(TP6PP)를 사용하여 인공 손을 제작했다. 원격 키보드를 연주하자 부드러운 작동기가 자극을 받아 화면의 해당 피아노 키에 손가락을 대도록 했다. 준비된 인공 손가락을 사용하여 'Happy Birthday'를 연주했다.
인공 손가락의 성능 및 활용 방안
(a-c) 600℃에서 열처리한 CTF를 포함하는 전극(TP6PP)으로 이루어진 작동기는 CTF를 포함하지 않는 전극으로 이루어진 작동기에 비해 굽힘이 약 2.2배 향상했다.
(a) DC, (b-c) AC 자극에 제안된 CTF 기반 액추에이터는 200초 후에도 작동기의 굽힘 변위는 유지되었다.
(d) 10개의 부드러운 액츄에이터(TP6PP)를 사용하여 인공 손을 제작했다. 원격 키보드를 연주하자 부드러운 작동기가 자극을 받아 화면의 해당 피아노 키에 손가락을 대도록 했다. 준비된 인공 손가락을 사용하여 'Happy Birthday'를 연주했다.

 


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