국내 연구진이 사람의 피부에서 느끼는 촉각이나 압력을 보다 정밀하고 정확하게 제어할 수 있는 소자 원천기술 개발에 성공했다. 이 기술을 활용하면 향후 로봇이나 장애인에게도 인공피부를 적용할 수 있는 길이 열릴 것으로 기대된다.

한국전자통신연구원(ETRI)은 빛의 편광 현상을 이용해 통신을 할 때 수평, 수직의 전기장 모두를 활용해 전송 용량을 2배 증가시키는 1cm x 1cm 광소자 개발에 성공했다고 밝혔다.

ETRI 연구진이 개발한 기술은 향후 양자통신 기술과 편광 다양성 광통신 시스템 등에 적용돼 광통신 전송용량과 속도를 획기적으로 향상시키는데 적용될 전망이다. 또한, 연구진은 이 기술의 응용범위를 넓혀 ‘광학식 압력센서’를 개발하고 사람의 몸에 부착할 수 있을 정도로 대면적화 하겠다고 설명했다.

ETRI는 나노미터(nm) 두께의 극초박막 형태 신물질로 큰 관심을 끌고 있는 이차원(2D) 반도체 물질 그래핀과 평면형 광회로 소자를 접목해 능동적으로 편광을 조절하는 소자의 핵심 기술을 개발했다. 여기에는 기존 연구진이 보유하고 있던 그래핀 합성기술과 광학적 제어 원천기술이 활용되었다고 말했다.

편광현상이란 빛이 진행할 때 빛의 전기장 진동방향이 한 쪽 방향으로만 존재하는 것을 말한다. 이때 그래핀을 이용해 편광소자를 만들면 전기장의 진동방향이 수평(TE)하거나 수직(TM)인 편광을 만들 수 있다. 기존 편광소자는 한 종류의 편광만을 영구적으로 결정해야 했기에 필요에 따라 수직 또는 수평 편광을 선택할 수 없었다.

이를 극복하기 위해 연구진은 마이크로 광기계 시스템 기술을 활용, 하나의 소자에서 수평과 수직 어느 방향으로도 자유로이 선택해서 쓸 수 있는 소자를 만들었다. 이로써 편광 선택이 가능케 된 셈이다.

이렇게 편광을 다양하게 선택할 수 있는 소자를 사용한 광통신 시스템은 광신호마다 수직, 수평 편광에 각기 다른 신호를 실어 정보를 동시에 송·수신할 수 있기에 전송량을 획기적으로 증가시킬 수 있다.

또한 마이크로 광기계 시스템을 기반으로 개발된 편광 선택 소자는 수직으로 압력을 가할 때 작동함에 따라 연구진은 향후 압력 변화를 광학적으로 감지할 수 있는‘광학식 압력 센서’를 개발할 계획이라고 밝혔다.

기존 압력 센서는 주로 전기식이었다. 전기식의 경우, 간섭이 심하고 정전용량(Capacitance)에 맞는 소자를 활용시 소자가 단단해지는 문제점들이 있다.

하지만 연구진은 전기식이 아닌 광학식 소자를 활용함으로써 이러한 문제점들을 해소할 계획이다. 광소자의 경우, 전기는 읽는데만 사용하고 빛을 중간 매개체로 활용해 소자의 강도가 달라지는 것을 방지한다.

따라서 이 기술을 응용하면 인공 피부에 적용하는 것도 가능하다. 압축이 잘 되는 고무나 스프링 등 압력 제어 물질에 광학식 압력 센서를 부착하면 누르는 정도에 따라 달라지는 광신호를 감지할 수 있기 때문이다.

예컨대 향후에는 로봇이 사과와 같은 과일을 쥘 때도 얼마만큼의 압력을 주어야 사과가 뭉개지지 않는지를 인식케 된다. 또한 피부의 감각을 잃어버린 사람도 센서의 도움을 받아 뇌와 통신을 하면 누군가 나의 피부를 접촉하는 느낌도 알 수 있게 될 전망이다.

연구진은 이처럼 광학식 압력 센서기술이 발전되면 향후 로봇의 인공피부 적용 및 개발이 보다 손쉬워질 것이라 전망했다.

특히 연구진은 그동안 손가락이 구부러지는 곳 등은 소자를 활용하기 어려워 개발에 차질이 있었는데 광소자는 빛이 지나가는 매질만 만들면 유연한 제품도 개발이 가능하다고 말했다.

ETRI 김승환 바이오IT연구본부장은 “향후 인공피부에 적용 가능토록 본격적인 연구개발을 추가로 할 계획이다. 또한 촉각센서를 개발해 보다 넓은 범위에서 미끄러짐이나 압력을 인공적으로 구현하는 것이 최종 목표이다”고 말했다.

한편, 이번 성과는 독일 와일리(Wiley-VCH) 출판사의 광학 기술 국제학술지‘ 레이저 광학 리뷰(LPOR)' 온라인에 지난 8월 초 등재되었다. 이번 연구에 참여한 논문의 제 1저자는 ETRI 바이오IT연구본부 김진태 박사이며 소재부품원천연구본부 최홍규 박사가 참여했다