촉각 증강기술 등 활용

언택트(비대면) 시대를 맞아 가상현실(VR)과 증강현실(AR) 기술을 통한 소통의 필요성이 증가함에 따라 인간의 오감(五感)을 전자기기를 통해 구현 및 측정하는 기술의 연구 역시 가속화 되고 있다. 특히 시각 및 청각보다 상대적으로 발전이 더딘 촉감 구현 및 증강 기술에 대한 관심이 커지고 있다.

이러한 가운데 KAIST 신소재공학과 홍승범 교수 연구팀이 촉감이나 촉각 증강기술에 활용할 수 있도록 3D 나노 구조체를 활용해 탄성 변형률이 3배로 향상된 압전 세라믹 소재를 개발했다고 최근 밝혔다.

연구팀은 근접장 나노 패터닝(Proximity field nanopatterning, PnP) 기술 및 원자층 증착(Atomic layer deposition, ALD) 기술을 이용해 3차원 나노 트러스 구조를 갖는 산화물 아연(ZnO) 세라믹을 제작했다. 또 나노 인덴테이션 (Nano-indentation) 기술과 압전 감응 힘 현미경(Piezoelectric force microscopy, PFM) 기술을 이용하여 제작된 구조체의 높은 기계적 특성과 압전 특성을 입증하는 데 성공했다.

이번에 개발된 압전 아연 산화물 구조체는 100㎚ 이하의 두께를 가지면서 내부가 비어있는 트러스 구조체다. 기존 세라믹이 보유하고 있는 내부 결함의 크기를 나노미터 단위로 제한해 재료의 기계적 강도를 증가시켰다. 이 구조체의 탄성 변형률은 10% 수준으로 기존 아연 산화물에 비해 3배나 더 크고, 압전계수 역시 9.2 pm/V로 박막 형태의 아연 산화물보다 2배 이상 더 높게 나타났다.

탄성 변형률이 크게 높아짐에 따라 아연 산화물 외에도 다양한 압전 세라믹 소재에 적용할 수 있어서 향후 촉각 증강기술에서 매우 중요한 유연한 센서와 액추에이터에 압전 세라믹을 활용할 수 있는 새로운 방법으로 사용할 수 있을 것으로 기대된다.

연구팀은 “이번 연구 결과를 촉각 증강 소자에 바로 적용하기에는 공정적인 측면에서 다소 보강작업이 필요하다”며 “소재 활용에 큰 문제가 됐던 기계적 한계를 극복해 압전 세라믹 소자로의 응용 가능성을 연 연구”라고 밝혔다.