돌고래 반향정위 모사한 신축성 초음파 센서 개발

성균관대학교 신소재공학부 이내응 교수 연구팀이 고무줄처럼 잘 늘어나면서도 전기를 발생시키는 새로운 나노복합소재를 개발하고, 이를 바탕으로 돌고래가 물속에서 초음파를 이용해 주변을 인식하는 원리를 모사한 인공 초음파 감각 시냅스 소자를 구현했다고 로봇신문이 23일 보도했습니다. 이번 연구 성과는 재료과학 분야 국제학술지 어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)에 게재됐습니다.

돌고래는 어둡고 탁한 바닷속에서도 초음파를 발사한 뒤 물체에 부딪혀 되돌아오는 소리를 듣고 주변 지형과 먹이 위치를 파악하는데, 이런 능력을 '반향정위'라고 부릅니다. 최근 로봇 피부나 신체 부착형 전자기기 연구가 활발해지면서 이 같은 초음파 감지·신경 신호 처리 기술이 주목받고 있습니다. 다만 기존에 쓰이던 무기물 압전소재(힘을 받으면 전기를 만드는 소재)는 잘 부러지는 단점이 있었고, 유연한 고분자 소재는 늘렸다가 원래대로 잘 돌아오지 않거나 압전 성능이 크게 떨어져 신축성 있는 초음파 센서 구현이 쉽지 않았습니다.

연구팀은 이 문제를 풀기 위해 유연한 고분자인 P(VDF-TrFE)를 부드러운 사슬 분자 PEG-diamine으로 가볍게 묶어주는 가교 결합 방식을 적용하고, 전기 발생 특성이 뛰어난 나노미터 크기의 타이탄산바륨(BaTiO3) 입자를 섞어 새로운 나노복합소재를 합성했습니다. 고분자와 나노 입자 사이에 튼튼한 수소 결합을 유도해, 소재 고유의 신축성을 잃지 않으면서도 전기적 성능을 좌우하는 결정 구조를 크게 늘리는 데 성공했다고 연구팀은 설명했습니다.

이렇게 만들어진 나노복합소재는 원래 길이보다 50% 더 늘어난 상태에서도 압전 성능이 안정적으로 유지됐으며, 1,000회 넘게 누르고 당기는 시험에서도 성능 저하 없이 견고한 내구성을 보였습니다.

연구팀은 이 신축성 초음파 센서를 유연한 인공 신경 소자, 즉 시냅스 트랜지스터와 결합했습니다. 물속에서 초음파가 전달되면 센서가 이를 감지해 전기 신호를 만들고, 이 신호가 인공 시냅스 소자로 전달돼 마치 살아있는 신경세포처럼 초음파 신호 정보를 기억하도록 만든 것입니다. 연구팀은 이를 돌고래 귓속 감각세포가 초음파 진동을 받아 뇌 신경망으로 신호를 전달하는 생체 시스템을 모방한 인공 초음파 감각 시스템 개발의 출발점이 될 수 있을 것으로 기대하고 있습니다.

이내응 교수는 "이번 성과는 부서지기 쉬웠던 압전 재료의 한계를 깨고 탄력성과 고성능을 동시에 확보한 신소재를 개발한 데 큰 의의가 있다"며, 앞으로 물속에서 작동하는 부드러운 해양 탐사 로봇은 물론 사람의 피부에 자연스럽게 밀착돼 건강을 모니터링하는 웨어러블 의료 기기 개발에 핵심적인 역할을 할 것으로 기대된다고 밝혔습니다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 나노및소재기술개발사업, 기초연구사업 지원으로 수행됐습니다. 논문 제목은 'Intrinsically Stretchable Piezoelectric Nanocomposites for Artificial Ultrasonic Sensory Synapse'이며, 논문은 https://doi.org/10.1002/adma.74349 에서 확인할 수 있습니다.