우리 대학 박성규 교수 연구팀이 전자통신연구원(ETRI)과의 공동연구를 통해 인공지능 기술을 이용한 신개념 피부 부착 반도체 센서를 개발했다. 

이번 연구는 우리 대학 반도체/디스플레이 연구실의 박성규 교수가 책임저자, 같은 연구실의 이준호 박사과정생이 제1저자, ETRI의 김성현 박사가 공동 제1저자, 이수재 박사가 공동 책임저자를 맡아 진행한 것이다. 연구진은 이번 공동연구를 통해 360도 전방위에 걸쳐 가해지는 신축 변형의 크기와 방향을 98% 정확도로 감지할 수 있는 고정확 스트레인 센서를 개발하는 데 성공했다. 

기존 피부 부착 스트레인 센서는 고무와 같은 신축성 소재, 그래핀, 카본나노튜브, 카본입자 등 전도성 나노 소재를 배합해 신축성 전도체 채널을 만든 뒤 채널의 신축에 따른 전기 저항값의 변화로부터 늘어난 양을 감지하는 방식을 썼다. 

하지만, 이러한 구조는 미리 정해진 특정 방향으로 가해지는 변형만을 감지하는 데 그쳤다. 같은 부위라도 상황에 따라 여러 방향으로 늘어나는 피부의 특성을 정확히 측정하기란 불가능했다. 

또한, 기존에는 특정 감각에 대한 센서들의 신호를 개별적으로 추출해 각각 표시하는 방식을 썼다. 다양한 감각을 인지하기 위해서는 수많은 개별센서가 필요했으며, 개별 감각 신호를 해석하는 시간이 필요해 지연 현상을 벗어나기 어려웠다. 

이러한 한계를 극복하기 위해 연구진은 세계 최초로 늘어나는 크기와 방향을 동시에 잴 수 있는 스트레인 센서를 인쇄공정을 이용해 제작했다. 또한, 인공신경망 구조를 이용한 AI 알고리즘으로 크기와 방향을 98% 정밀도로 예측하는 데 성공했다. 

새롭게 개발된 기술은 사람의 피부에 부착해 인체의 움직임을 측정할 수 있을 뿐 아니라 재활, 헬스케어, 로봇 등에 활용이 가능한 획기적인 기술이다.

연구진은 신축성 전도체 채널을 변형이 일어나지 않는 두 개의 단단한 island 영역 사이에 걸치도록 함으로써 신축 방향에 따라 다른 응답특성을 얻을 수 있는 새로운 방향성 센서 구조를 구현했다. 

또한, 세 개의 센서를 서로 다른 방향으로 배치해 이들 신호의 조합으로 특정 부위의 신축 방향과 변형량을 360도 전방위에 걸쳐 추출할 수 있도록 만들었다. 다양한 센서 데이터를 인공신경망 알고리즘을 통해 학습, 분석한 결과 해당 부위의 신축 방향과 변형량을 0~30% 신축 범위에서 98%의 정확도로 추출하는 데 성공했다. 

단일 교차반응 센서시스템에서 얻어진 복합신호를 인지학습을 통한 인공지능 알고리즘을 이용해 개별 감각에 대한 다양한 특성을 동시에 추출·분리하는 해당 방식은 기존 센서시스템의 한계로 인식돼 온 시공간적 제약을 탈피할 수 있는 획기적인 시도로 평가받고 있다.

이번 연구성과는 2021 인용 지수(Impact Factor) 32.086을 기록한 전자전기 및 재료 분야의 세계적 저명 학술지 ‘Advanced Materials’에 2월 17일자로 온라인 게재됐다. 

박성규 교수는 “기존 스트레인 센서 소자 기술에 지능형 반도체와 인공지능 기술 등 새로운 신기술이 도입되면서 불가능한 영역으로 인식돼 온 인체부착형 반도체 소자의 공간적·시간적 제약을 파괴할 수 있는 새로운 기술 도입을 앞당길 수 있었다”고 말했다.