배터리 없이 손가락 움직임만으로 자가발전 및 동적·정적 압력 동시 감지
생체모사 설계로 사람 피부 촉각 원리 구현...나노복합 소재로 성능 3배 높여
광운대학교는 최근 박재영 전자공학과 교수 연구팀이 사람 피부처럼 촉각을 느끼고 별도 배터리 없이 스스로 전기를 만들어 작동하는 차세대 웨어러블 디바이스 '하이브리드 스마트 핑거 링'(HSF-Ring)을 개발했다고 30일 밝혔다.
박 교수팀이 개발한 HSF-Ring은 마찰전기와 이온트로닉 기술을 융합한 초소형 스마트 반지다. 에너지 수확과 이중 모드 촉각 센싱을 하나의 플랫폼에 구현한 것이 특징이다. 기존 웨어러블 기기와 달리 손가락의 일상적인 움직임으로 스스로 전기를 생성해 외부 전원 없이 작동한다.
기술의 핵심은 사람 피부가 촉각을 인식하는 방식을 모사한 '생체모사 설계'다. 연구팀은 마찰전기 나노발전기(TENG)와 이온트로닉 압력센서(IPS)를 반지 구조로 통합했다. TENG는 미세한 움직임에서 발생하는 에너지를 전기 신호로 변환해 동적 감지와 에너지 하베스팅을 수행한다. IPS는 레이저 가공 그래핀과 이온성 액체가 주입된 나노섬유막으로 정적인 압력까지 정밀하게 측정한다.
성능 향상을 위해 새로운 나노복합 소재도 개발했다. 기능화된 하이브리드 다공성 탄소를 실리콘 매트릭스 내부에 삽입해 기존 실리콘 기반 소자 대비 약 3배 높은 0.82W/㎡의 출력 밀도를 달성했다. 압력센서는 저압 영역에서 약 15pF/kPa의 감도를 보였으며, 수만 회 반복 사용 후에도 안정성을 유지했다.
이 기술은 산업 및 사회적 활용도 또한 높다. 카메라 기반 시스템과 달리 손가락 움직임을 직접 디지털 신호로 변환해 청각장애인용 수어 통역 시스템에 적용할 수 있다. 로봇공학 분야에서는 기계가 사람처럼 물체를 정밀하게 다루도록 돕고, VR·AR 분야에서는 컨트롤러 없이 손동작만으로 디지털 환경을 제어할 수 있다.
박 교수는 "HSF-Ring은 인간의 감각 인식과 디지털 시스템을 자연스럽게 연결하는 차세대 플랫폼 기술"이라며 "미래형 인간-기계 인터페이스의 새로운 방향을 제시했다"고 말했다.
한편 이번 연구는 과학기술정보통신부가 지원하는 '한국연구재단 중견연구자 지원사업'과 '한국산업기술진흥원 산업기술혁신사업'의 지원을 받아 수행됐다. 연구 결과는 소재·소자 분야 국제학술지 'Advanced Functional Materials'(IF=19)에 게재됐다.
