전자 피부
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1. 개요
전자 피부는 인간 또는 동물의 피부 기능을 모방하기 위해 센서와 전자 장치를 유연하게 연결하여 만든 기술이다. 유연성, 신축성, 다양한 감지 능력, 자기 치유 능력 등을 갖춘 전자 피부는 소프트 로봇, 의수, 인공지능, 건강 모니터링 등 여러 분야에 활용될 수 있다. 전자 피부는 고분자 기반 재료, 하이브리드 재료, 재활용 가능한 재료 등으로 제작되며, 압력, 온도, 습도 등을 감지할 수 있는 센서를 통합하여 다양한 정보를 수집할 수 있다.
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| 전자 피부 | |
|---|---|
| 전자 피부 | |
| 기술적 세부 사항 | |
| 구성 요소 | 센서 액추에이터 전자 회로 |
| 특징 | |
| 기능 | 압력 감지 온도 감지 변형 감지 화학 물질 감지 |
| 재료 | 신축성 있는 폴리머 금속 나노 입자 탄소 나노튜브 |
| 응용 분야 | |
| 의료 | 건강 모니터링 약물 전달 보철 |
| 로봇 공학 | 촉각 센서 인간-로봇 상호 작용 |
| 소비자 전자 제품 | 웨어러블 장치 게임 컨트롤러 |
| 추가 기능 | |
| 자가 치유 | 손상 시 스스로 복구하는 기능 |
| 색상 변화 | 촉각 감지에 따라 색상이 변하는 기능 |
| 연구 및 개발 | |
| 주요 연구 분야 | 재료 과학 나노 기술 전자 공학 |
| 목표 | 실제 피부와 유사한 기능과 감도를 갖는 전자 피부 개발 |
2. 재료
전자 피부는 신축성, 내구성, 유연성을 갖춘 재료를 기반으로 제작된다.[39] 플렉시블 전자 및 촉각 센서 연구가 발전하고 있지만, 전자 피부 설계에서는 각 분야의 장점을 통합하는 것이 중요하다. 유연하고 신축성 있는 기계적 특성과 화학적, 촉각적, 전기 생리학적인 센서, 자기 복구 능력을 잘 조합하면 소프트 로봇, 의수, 인공지능, 건강 모니터링 등 다양한 분야에 활용될 수 있다.[40][39][41]
2. 1. 고분자 기반 재료
2018년, 조우 등은 손상 시 공유 결합을 재형성할 수 있는 전자 피부에 대한 연구를 발표했다.[8] 연구팀은 폴리이민 기반 가교 네트워크를 연구했다. 이 전자 피부는 "가역적 결합 교환"으로 인해 재가교가 가능한 것으로 간주된다. 즉, 네트워크를 함께 유지하는 결합이 용매화 및 가열과 같은 특정 조건에서 끊어지고 재형성될 수 있다는 의미이다. 이러한 열경화성 재료의 재가교 및 재사용 가능한 측면은 많은 열경화성 재료가 공유 결합을 통해 비가역적으로 가교 네트워크를 형성하기 때문에 독특하다.[9] 고분자 네트워크에서 치유 과정에서 형성된 결합은 원래의 고분자 네트워크와 구별할 수 없다.
동적 비공유 가교도 재가교 가능한 고분자 네트워크를 형성하는 것으로 나타났다. 2016년, 오 등은 유기 트랜지스터용 반도체 고분자를 특별히 연구했다.[10] 그들은 2,6-피리딘 디카르복사미드(PDCA)를 고분자 주쇄에 통합하면 그룹 간에 형성된 수소 결합 네트워크를 기반으로 자가 치유 능력을 부여할 수 있음을 발견했다. PDCA를 고분자 주쇄에 통합함으로써, 재료는 미세 균열 징후 없이 최대 100% 변형을 견딜 수 있었다. 이 예에서 수소 결합은 변형이 증가함에 따라 에너지 소산을 위해 사용할 수 있다.
2. 2. 하이브리드 재료
고분자 네트워크는 수소 결합 또는 동적 공유 결합 화학을 통해 동적 치유 과정을 촉진할 수 있지만,[8][10] 무기 입자를 통합하면 전자 피부의 기능을 더욱 확장할 수 있다. 미세 구조 니켈 입자를 고분자 네트워크에 통합하면, 무기 입자 주위의 수소 결합 네트워크를 재형성하여 자기 치유 특성을 유지할 수 있다.[7] 이 재료는 파손 후 15초 이내에 전도성을 회복할 수 있으며, 기계적 특성은 자극 없이 실온에서 10분 후에 회복된다. 이 재료는 요소기가 정렬될 때 형성되는 수소 결합에 의존한다. 요소 작용기의 수소 원자는 전자 인출 카르보닐기 근처에 있기 때문에 수소 결합 네트워크를 형성하기에 이상적으로 위치한다.[11] 니켈 입자가 내장된 이 고분자 네트워크는 고분자를 자기 치유 전도성 복합재를 개발하기 위한 초분자 호스트로 사용할 가능성을 보여준다.[7]
3차원 방식으로 상호 연결된 유연하고 다공성 그래핀 폼도 자기 치유 특성을 갖는 것으로 나타났다.[4] 폴리(N,N-디메틸아크릴아미드)-폴리(비닐 알코올)(PDMAA) 및 환원된 그래핀 산화물과 함께 얇은 필름은 높은 전기 전도성과 자기 치유 특성을 보였다. 하이브리드 복합 재료의 치유 능력은 PDMAA 사슬 간의 수소 결합 때문인 것으로 여겨지며, 치유 과정은 초기 길이를 복원하고 전도성 특성을 회복할 수 있다.[4]
2. 3. 재활용 가능한 전자 피부
조우(Zou) 등은 로봇공학, 보철 등 여러 분야에 사용될 수 있는 완전히 재활용 가능한 전자 피부 재료를 개발하여 전자 피부 분야의 발전을 이끌었다.[8] 이 전자 피부는 특정 온도에서 굳는 열경화성 공유 결합 고분자 네트워크로 구성되어 있지만, 재활용 및 재사용이 가능하다.[9] 고분자 네트워크는 열경화성이기 때문에 화학적으로나 열적으로 안정적이다.[9]하지만 은 나노 입자가 있든 없든, 실온에서 폴리이민 재료는 몇 시간 안에 용해될 수 있다. 재활용 과정을 통해 자가 치유 능력을 넘어 손상된 장치를 용해하여 새로운 장치로 만들 수 있다.[8] 이러한 발전은 저렴한 생산과 전자 피부 개발에 대한 친환경적인 접근 방식을 열어준다.
3. 특징
전자 피부는 기존의 딱딱한 전자 장치와 달리 유연하고 신축성 있는 특징을 지녀 다양한 분야에 응용될 수 있다. 이러한 특징은 유연한 소재를 사용하거나, 특별한 구조 설계를 통해 구현된다.
기계적 특성피부는 표피와 진피로 구성된 이중층 구조로, 탄성 계수와 두께가 각 층마다 다르다.
| 구분 | 탄성 계수 | 두께 |
|---|---|---|
| 표피층 | 140–600 kPa | 0.05–1.5 mm |
| 진피층 | 2–80 kPa | 0.3–3 mm |
[14]
피부는 변형률에 따라 탄성 또는 비탄성적인 반응을 보인다. 전자 피부는 표피층의 기계적 특성과 유사하게 설계되는 경향이 있다.
실리콘과 같은 기존의 단단한 재료는 피부와의 기계적 불일치로 인해 생체 적합성이 떨어진다. 이를 극복하기 위해 초박막 형태의 유연한 전자 장치를 구성하거나, 좌굴, 아일랜드 연결, 키리가미와 같은 구조 설계를 통해 기계적 안정성을 확보한다.[15][16]
전도성전도성을 띄는 전자 피부는 전기적 응용 분야에서 유용하다. 전도성 자가 치유 고분자를 개발하거나, 비전도성 고분자에 니켈, 은과 같은 전도성 무기 재료, 특히 나노입자를 삽입하는 방식으로 전도성을 부여할 수 있다.[1][3][7][8][18]
3. 1. 유연성 및 신축성
전자 피부가 보철, 인공 지능, 소프트 로봇 공학, 건강 모니터링, 생체 적합성 및 통신 장치 등에 응용되기 위해서는 기능을 잃지 않으면서 늘어나고 구부러지는 기계적 변형을 견딜 수 있어야 한다.[1][3][4][12] 유연 전자 장치는 유연 고분자 기판에 전자 재료를 증착하여 설계하거나, 신축성 재료 개발을 통해 구현된다.[1]Zou 등은 폴리이미드 매트릭스에 "뱀 모양" 링커를 포함시켜 전자 피부 센서가 움직임과 왜곡에 따라 구부러질 수 있도록 설계했다.[8] 알킬 스페이서를 고분자 기반 재료에 통합하면 전하 이동성을 감소시키지 않으면서 유연성을 증가시킬 수 있다.[10] Oh 등은 DPP와 PDCA를 기반으로 한 신축성 및 유연한 재료를 개발했다.[10]
그래핀은 강성과 인장 강도 덕분에 전자 피부 응용 분야에 적합한 재료로 평가받는다.[13] 그래핀은 유연한 기판에 대한 합성이 확장 가능하고 비용 효율적이기 때문에 매력적인 재료이다.[13]
3. 2. 기계적 특성
피부는 콜라겐, 케라틴, 엘라스틴 섬유로 구성되어 강한 기계적 강도, 낮은 탄성 계수, 찢어짐 저항 및 부드러움을 제공한다. 피부는 표피와 진피의 이중층으로 간주될 수 있다.| 구분 | 탄성 계수 | 두께 |
|---|---|---|
| 표피층 | 140–600 kPa | 0.05–1.5 mm |
| 진피층 | 2–80 kPa | 0.3–3 mm |
[14]
이중층 피부는 15% 미만의 변형률에서 탄성 선형 응답을 보이며, 더 큰 변형률에서는 비선형 응답을 보인다. 따라서, 피부 기반 신축성 전자를 설계할 때 장치가 표피층의 기계적 특성과 일치하는 것이 바람직하다.
전통적인 고성능 전자 장치는 실리콘과 같은 무기 재료로 만들어지는데, 실리콘은 본질적으로 단단하고 깨지기 쉬워 피부와 장치 간의 기계적 불일치로 인해 생체 적합성이 떨어진다. 이는 피부 통합 전자 장치 응용에 어려움을 야기한다. 이러한 과제를 해결하기 위해 연구자들은 초박막 형태로 유연한 전자 장치를 구성하는 방법을 사용했다. 재료 물체의 굽힘 저항(굽힘 강성)은 빔에 대한 오일러-베르누이 방정식에 따라 두께의 세제곱에 비례한다.[15] 이는 두께가 얇을수록 물체가 더 쉽게 구부러지고 늘어날 수 있음을 의미한다. 결과적으로, 재료가 비교적 높은 영률을 갖더라도 초박막 기판에 제조된 장치는 굽힘 강성이 감소하고 파손 없이 작은 곡률 반경으로 구부러질 수 있다.
또한, 구조 설계를 고려하여 장치의 기계적 안정성을 조정할 수 있다. 원래의 표면 구조를 엔지니어링하면 딱딱한 전자 장치를 부드럽게 만들 수 있는데, 좌굴, 아일랜드 연결, 키리가미 개념은 전체 시스템을 신축성 있게 만드는 데 성공적으로 사용되었다.[16]
- 기계적 좌굴: 탄성 얇은 기판에 물결 모양 구조를 만드는 데 사용될 수 있으며, 장치의 신축성을 향상시킨다. 좌굴 접근 방식은 탄성 기판에 단결정 Si에서 Si 나노 리본을 만드는 데 사용되었다. 연구에 따르면 장치는 압축 및 인장 시 최대 10%의 변형을 견딜 수 있었다.[17]
- 아일랜드 상호 연결: 단단한 재료는 지그재그, 뱀 모양 구조 등과 같은 다양한 기하학으로 만들어진 유연한 브리지와 연결되어 유효 강성을 줄이고, 시스템의 신축성을 조정하며, 특정 방향으로 적용된 변형 하에서 탄성적으로 변형된다. 3D 아일랜드 상호 연결 기술을 사용하여 PDMS 기판에 구축된 CMOS 인버터는 신장 시 140%의 변형을 나타냈다.[17]
- 키리가미: 2D 막의 접고 자르는 개념을 중심으로 구축된다. 이는 기판의 인장 강도뿐만 아니라 면외 변형 및 신축성을 증가시키는 데 기여한다. 이러한 2D 구조는 좌굴 과정을 통해 다양한 지형, 모양 및 크기 제어 가능성을 가진 3D 구조로 변환될 수 있으며, 흥미로운 특성과 응용 분야를 얻을 수 있다.[16][17]
3. 3. 전도성
전도성 전자 피부 개발은 많은 전기 응용 분야에서 관심을 받고 있다.[3][7][18] 관련 연구는 전도성 자가 치유 고분자를 개발하거나, 비전도성 고분자 네트워크에 전도성 무기 재료를 삽입하는 두 가지 방향으로 진행되었다.[1]Tee ''et al''.은 미세 구조화된 니켈 입자를 고분자 모체에 통합하는 방식으로 자가 치유 전도성 복합재료를 합성했다(그림 2).[7] 니켈 입자는 입자 표면의 고유 산화층과 수소 결합 고분자 간의 유리한 상호 작용을 통해 네트워크에 부착된다.[7]
나노입자는 전자 피부 재료에 전도성을 부여하는 능력에 대해 연구되었다.[8][18] Zou ''et al.''은 은 나노입자(AgNPs)를 고분자 매트릭스에 삽입하여 전자 피부에 전도성을 부여했다. 이 재료의 치유 과정은 고분자 네트워크의 기계적 특성을 복원할 뿐만 아니라 은 나노입자가 고분자 네트워크에 삽입되었을 때 전도성 특성도 복원한다는 점에서 주목할 만하다.[8]
4. 감지 능력
전자 피부의 감지 능력과 관련하여 센서의 취약성, 회복 시간, 재현성, 기계적 변형 극복, 장기적 안정성 등 여러 과제가 있다.[5][19]
4. 1. 촉각 센서
가해지는 압력은 저항 또는 정전 용량의 변화를 모니터링하여 측정할 수 있다.[13] 단층 그래핀에 내장된 공면형 핑거 전극은 정전 용량 변화를 측정하여 0.11kPa의 낮은 가해 압력에 대한 압력 감도를 제공하는 것으로 나타났다.[13] 압저항 센서 또한 높은 수준의 감도를 보였다.[19][20][21]그래핀과 통합된 초박형 이황화 몰리브덴 감지 어레이는 압력 감지에 사용될 수 있는 유망한 기계적 특성을 입증했다.[19] 유기 전계 효과 트랜지스터(OFET)의 수정은 전자 피부 응용 분야에서 유망성을 보여주었다.[22] 미세 구조화된 폴리디메틸실록산 얇은 막은 압력이 가해지면 탄성적으로 변형될 수 있다. 얇은 막의 변형은 에너지의 저장 및 방출을 가능하게 한다.[22]
가해지는 압력의 시각적 표현은 촉각 센서 개발에서 관심 있는 분야 중 하나이다.[3][23] 스탠포드 대학교의 바오 그룹은 가해지는 압력의 양에 따라 색상이 변하는 전기 변색 활성 전자 피부를 설계했다.[3] 가해지는 압력이 가해질 때 빛을 방출하는 능동형 매트릭스 유기 발광 다이오드 디스플레이를 통합하여 가해지는 압력을 시각화할 수도 있다.[23]
4. 2. 기타 감지 기능
습도 센서는 황화 텅스텐 필름을 사용하여 전자 피부 설계에 통합되었다. 필름의 전도도는 습도의 다양한 수준에 따라 변한다.[28] 실리콘 나노리본은 온도, 압력 및 습도 센서로서의 응용 분야에 대해 연구되었다.[29] 글래스고 대학교의 과학자들은 보철물 및 보다 생생한 휴머노이드에 적용할 수 있는 실시간 통증을 감지하는 전자 피부 개발에 진전을 이루었다.[30]전자 피부와 인간-기계 인터페이스 시스템은 원격 감지를 통해 촉각 인식을 가능하게 하고, 많은 유해 물질 및 병균에 대한 웨어러블 또는 로봇 감지를 가능하게 한다.[31][32]
5. 응용 분야
전자 피부는 소프트 로봇, 의수, 인공지능, 건강 모니터링 등 여러 분야에 활용될 수 있다.[1][3][4][12][40][39][41] 유연하고 신축성 있는 전자 피부는 화학적, 촉각적, 전기 생리학적 센서와 자기 복구 능력을 통해 다양한 가능성을 열 수 있다.[40][39][41]
현재는 연구 단계에 있지만, 2010년대부터 생체 정보를 수집하는 패치형 및 반창고형 시제품이 잇따라 발표되고 있다. 로레알은 2019년 1월 CES에서 "My Skin Track pH"를 발표했다.[42] 이 제품은 반창고와 비슷한 패치 형태로, 팔 안쪽에 붙여 5~15분 정도 기다리면 pH 등의 화학적 상태, 발한량, 발한율 등의 정보를 수집한다. 수집된 정보는 앱을 통해 분석되어 피부 상태에 대한 조언을 제공한다.[43]
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