▲ 서울과기대의 3D 오세틱 메타물질 기반 센서가 재료과학 분야의 세계적 권위지인 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)’ 표지논문으로 선정됐다.

국내 연구진이 3D프린팅 기술을 이용해 누를수록 퍼지지 않고 중심으로 들어가는 구조체를 구현함으로써 기존 센서가 가지고 있던 ‘민감도’와 ‘공간 제약’ 문제를 해결하고 로봇, 웨어러블 기기 등 성능 향상에 기여할 전망이다.

서울과학기술대학교(총장 김동환)는 기계시스템디자인공학과 표순재 교수팀이 박근 교수팀과 공동 연구를 통해, ‘누르면 쪼그라드는’ 독특한 성질을 가진 3D 오세틱 메타물질(Auxetic M etamaterial)을 기반으로 어떠한 환경에서도 고감도로 반응하는 고성능 촉각 센서를 개발했다고 지난 4일 밝혔다.

이번 연구 성과는 재료과학 분야의 세계적 권위지인 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)’ 2025년 35권 47호(11월25일 발간)의 표지논문(Front Cover)으로 선정되며 국제적인 주목을 받았다.

기존의 고무나 스펀지 소재 센서는 위에서 누르면 옆으로 퍼지는 성질 때문에 가해지는 힘이 분산됨에 따라 외부 자극을 감지하는 데 한계가 있었다.

표순재 교수팀은 이를 해결하기 위해 ‘오세틱(Auxetic)’ 구조를 도입했다. 연구팀이 개발한 3D 구조체는 누를수록 구조가 중심부로 수축하며 응축되는 성질을 가진다. 이 독특한 구조는 외부에서 가해지는 압력을 옆으로 흘려보내지 않고 센서 중심부로 집중시킨다. 

덕분에 아주 미세한 힘이나 압력 변화도 놓치지 않고 포착할 수 있어, 동일한 소재를 사용한 일반 센서보다 월등히 높은 민감도를 구현해 냈다.

이러한 복잡한 3D 오세틱 구조를 실제 센서로 구현하는 데에는 박근 교수팀의 고정밀 3D프린팅 기술이 결정적인 역할을 했다. 박근 교수팀은 국산 3D프린터 전문기업인 캐리마의 DLP(Digital Light Processing) 방식 3D프린터 공정을 이용해, 미세한 구멍이 뚫린 정육면체 격자 구조를 정교하고 결함 없이 출력했다. 

또한 이 구조체에 전기가 통하는 탄소나노튜브(CNT)를 얇게 코팅하거나, 전극 사이에 배치하는 방식만으로 누를 때 전극 간격이 좁아지는 것을 감지하는 ‘정전용량 방식’과 전기 저항이 줄어드는 것을 감지하는 ‘저항 방식’ 두 가지 타입의 센서를 모두 구현했다.

연구팀은 이 ‘안으로 모이는’ 특성이 센서의 민감도뿐만 아니라 실제 사용 환경에서의 성능 저하 문제까지 완벽하게 해결한다는 점을 밝혀냈다.

로봇의 손가락 내부나 신발 깔창 속처럼 꽉 막힌 공간(매립 환경)에 센서를 넣을 경우, 일반 센서는 옆으로 퍼지려다 주변 벽에 막혀 제대로 눌리지 않거나 오작동을 일으킨다. 하지만 연구팀이 개발한 오세틱 센서는 압력을 받아도 바깥으로 팽창하지 않고 안으로 수축하기 때문에, 주변 공간의 방해를 전혀 받지 않는다.

연구팀은 개발한 센서의 성능을 검증하기 위해 센서를 내장한 ‘스마트 깔창’을 제작했다. 깔창 내부의 제한된 공간 속에서도 센서는 보행 시 발바닥의 압력 분포를 정밀하게 감지해 실시간으로 분석해 냈다. 또한, 4x4 배열의 센서 패드를 통해 사과나 테니스공 같은 물체의 미세한 무게와 접촉 면적 차이까지 정확히 구별하며 로봇 피부로서의 활용 가능성도 입증했다.

교신저자인 서울과기대 표순재 교수는 “이번 연구는 ‘구조적 설계’ 하나로 센서의 민감도를 높이는 동시에, 주변 구조물에 간섭받지 않는 내환경성까지 확보했다는 데 큰 의의가 있다”며, “공간적 제약이 많은 로봇의 전자 피부나 웨어러블 헬스케어 기기 등 차세대 산업 분야에 폭넓게 응용될 것”이라고 밝혔다.

한편 이번 연구는 한국연구재단 우수신진연구 및 기초연구실 사업, 한국기초과학지원연구원의 신진연구자인프라지원 사업의 지원을 받아 수행됐다. 연구진으로는 서울과기대 강민규 석사과정생이 제1저자로 참여했으며, 최홍갑 석사과정생과 박근 교수가 공동저자로, 표순재 교수가 교신저자로 참여했다.

▲ 이번 연구를 주도한 서울과기대 표순재 교수(左)와 박근 교수