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세계 최고 수준 인공 촉각세포 만든 김도환 교수, 이달의 과학기술인에 선정

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세계 최고 수준 인공 촉각세포 만든 김도환 교수, 이달의 과학기술인에 선정

2020.01.08 12:09

 

김도환 한양대 화학공학과 교수가 이달의 과학기술인상 수상자로 선정됐다. 과학기술정보통신부 제공
김도환 한양대 화학공학과 교수가 이달의 과학기술인상 수상자로 선정됐다. 과학기술정보통신부 제공

 

사람 피부에 가장 가까운 전자피부와 인공촉각을 개발하고 있는 김도환 한양대 화학공학과 교수(사진)가 이달의 과학기술인상에 선정됐다. 


과학기술정보통신부는 8일 이달의 과학기술인상 1월 수상자로 김 교수를 선정했다고 밝혔다.  

 

과기정통부는 “김 교수가 생체 촉각세포를 모사한 초고감도 이온트로닉 전자피부 기술을 개발해 몸에 붙이거나 착용할 수 있는 웨어러블 전자기기 상용화와 전자기기와의 사람의 상호작용을 돕는 스마트 인터페이스 기술을 선점하는데 이바지했다”고 평가했다. 김 교수는 한양대를 졸업하고 포스텍에서 석사와 박사를 받았다. 삼성전자 종합기술원 책임연구원, 미국 스탠퍼드대에서 박사후연구원을 거쳤다.

 

전자피부는 유연 디스플레이, 착용하는 의료기기와 같은 소프트 전자기기가 발전하면서 사용자와 기기의 실시간 상호 작용을 돕는 스마트 인터페이스의 핵심기술로 주목받고 있다. 하지만 기존 전자피부는 통각, 압각, 촉각 등 미세한 자극을 구분하는 센서의 민감도가 떨어지고 넓은 범위의 자극을 인지하지 못한다는 한계가 있었다. 


김 교수는 2003년에 유기반도체 등 소프트 유연소재 개발에 관심을 갖기 시작하면서 2011년부터 전자피부 원천 기술 개발에 노력해 온 젊은 과학자다. 전자피부 구현을 위한 소재 및 소자 개발부터 전자기기와의 상호작용을 이끄는 인터페이스 개발에 이르기까지 다양한 연구를 진행하고 있다. 

 

김 교수는 지난 2017년 사람의 피부를 구성하는 촉각세포가 외부압력을 감지하는 원리를 모방한 신소재를 개발하고 세계 최초로 소리부터 혈압, 촉감, 물체 하중까지 구별하는 전자피부를 개발했다. 연구진은 이 기술을 활용해 ‘스마트 헬스케어용 촉각 센서’ 기술을 터치패널 전문기업에 기술이전했다.지난해 미국 라스베이거스에서 열린 2019 소비자가전쇼(CES)에 이 초고감도 전자피부를 활용해 속도와 방향을 동시에 제어하는 ‘실감형 웨어러블 컨트롤러 시제품’을 선보여 주목을 받았다. 

 

김 교수 연구팀은 지난해 9월 촉각세포의 세포막 구조와 기계적 외부 자극에 따라 발생하는 생체이온의 신호전달 메커니즘을 모사한 인공촉각 세포를 개발해 국제학술지 네이처 커뮤니케이션즈에 속했다. 사람 피부에 있는 촉각세포는 세포막을 사이로 나뉘어 있던 이온들이 외부힘이 가해지면 세포막 내부로 이동하면서 전위가 발생하는 원리로 자극을 인지한다. 연구팀은 양이온과 음이온간 끌어당기는 힘을 이용해 인공세포막 구조를 만들고 폴리우레탄 고분자와 이온이 들어있는 액체인 전해질에 실리카 입자를 넣어 촉각세포 메커니즘을 모사했다. 

 

연구팀은 이 인공촉각 세포를 이용해 손으로 누르는 압력의 세기로 드론과 같은 자율주행 동력장치의 가속과 방향을 동시에 제어하는 ‘전자피부 패치 기반의 실감형 웨어러블 컨트롤러’를 개발했다. 인공 촉각세포를 활용하면 기존 소재보다 약 30배 이상의 민감도를 갖춘 전자 피부를 만들 수 있다. 

 

과기정통부에 따르면 글로벌 웨어러블 스마트 센서 시장은 연평균 38.7%씩 성장하고 있다. 박막형 전자피부 시장규모는 2026년 2695억 달러에 이른 것으로 전망된다. 의료용 웨어러블 기기 역시 초기의 입는 형태에서 피부에 부착하거나 몸에 삽입하고 설치하는 형태로 진화하며 전자피부 원천기술 확보 경쟁이 치열하다.  김 교수는 “촉각증강형 초고감도 전자피부 기술은 실감형 터치스크린, 피부 부착형 건강진단 패치, 수술로봇 등 다양한 분야에서 활용될 수 있다”며 “전자피부 원천기술 개발로 미래 경쟁력 확보에 기여하고 싶다”고 말했다. 

 

김 교수가 연구실 연구원들과 실험실에 서 있다. 김 교수는 연구실 학생들과 연구원들, 공동연구자들, 가족들에게 공을 돌렸다. 과학기술정보통신부 제공
김 교수가 연구실 연구원들과 실험실에 서 있다. 김 교수는 연구실 학생들과 연구원들, 공동연구자들, 가족들에게 공을 돌렸다. 과학기술정보통신부 제공

다음은 과기정통부가 김 교수와 진행한 인터뷰 일문일답

 

화학공학의 다양한 분야 중 소프트 유연소재와 차세대 광전자 나노소재를 주제로 오랜 시간 연구를 하고 있다. 

 

2002년부터 2005년까지 박사 학위를 밟는동안 유기반도체 소재를 깊이 있게 연구했다. 유연하고 부드러운 유기반도체를 활용해 유연 소자를 직접 제작했다. 삼성전자에서 일하면서 유기반도체를 활용한 유연 디스플레이를 제작해보기도 했다. 미국 스탠퍼드대에서 박사후연구원으로 일하면서 전자피부와 같은 소프트 유연소재 및 차세대 광전자 나노소재에 학문적 호기심을 갖게 됐다. 이 같은 경험을 바탕으로 기존 플랫폼의 한계를 극복할 수 있는 새로운 개념의 소프트 나노 소재 및 공정, 차세대 소자 및 시스템 기술 개발에 뛰어들었다. 이를 통해 실제 산업 현장에 적용 가능한 응용연구부터 차세대 미래 지향 산업에 적용할 수 있는 기초연구에 이르기까지 큰 줄기 기반의 연구를 진행하고 있다. 

 

사람의 촉각을 모방한 초고감도 이온트로닉 전자피부를 개발해 주목을 받았다.

 

2017년 사람의 피부를 구성하는 촉각세포가 외부압력을 감지하는 원리를 모사해 고분자 신소재를 개발했다. 소리에서부터 혈압, 일반 터치, 다양한 물체의 하중까지 정확하게 감별하는 초고감도·초저전력·고신축성 전자피부를 개발해 사람 피부의 촉각 인지능력을 뛰어넘는 인공피부를 구현했다는 평가를 받았다. 관련 기술은 과학기술정보통신부가 뽑은 ‘2017년 10대 나노기술’로도 선정되기도 했다.
 
2018년도에는 실제 사람의 피부를 구성하는 촉각세포의 세포막 구조와 기계적 외부자극에 따라 발생하는 생체이온의 신호 전달 메커니즘을 모방한 인공 촉각세포를 구현했다. 넓은 압력범위에서도 기존 소재 대비 약 30배 이상의 민감도 성능을 갖춘 이온트로닉 전자피부 소재 개발에 성공했다. 초고감도 전자피부 기술을 활용해 손으로 누르는 압력의 세기로 동력장치의 가속과 방향을 동시에 제어할 수 있는 무인비행체용 실감형 웨어러블 컨트롤러 시제품 개발에도 성공했다. 

 

다양한 무인비행체를 조종하는 ‘실감형 웨어러블 마이크로컨트롤러’과 다른 기술의 차별점은 무엇인가.

 

지난해 1월 미국 라스베이거스에서 개최된 ‘CES 2019’에서 블루투스 무선통신 기술을 활용한 초고감도 이온트로닉 전자피부 기술을 전시했다. 가해지는 외부 자극의 정보를 모바일을 통해 확인하는 촉각 플랫폼과 드론 등 무인비행체를 조종하는 실감형 웨어러블 마이크로컨트롤러 시제품을 전시했다. 속도와 방향제어가 분리된 기존의 컨트롤러와 달리 가속도와 방향제어를 한번에 하는 신개념의 촉각인터페이스로서의 활용가능성을 보여준 대표적인 사례다.  

 

다양한 나노소재 연구로 전자피부 개발의 과학적 토대를 마련했다. 이런 연구가 향후 어떤 변화를 가져올까

 

가까운 미래에는 전자피부 기술을 이용해 유연하게 휘고 접히고 탄력적으로 늘어나기도 하는 플렉서블, 폴더블, 스트레쳐블 디스플레이가 보편화될 전망이다. 기존의 착용하는 형태가 아닌 패치 형태 혹은 생체삽입 형태의 헬스케어 디바이스도 많이 개발될 것으로 예상된다. 스마트폰 혹은 헬스케어 장치의 휴대와 착용이 더 편리해져 공간과 시간에 제약 없이 원하는 정보를 얻을 수 있을 것이다. 더불어 사용자의 생체신호를 지속적으로 파악하여 실시간으로 데이터를 제공할 수 있다. 초민감도 소프트 촉각센서를 장착한 수술용 로봇이 의사를 대신해 정교한 수술도 할 수 있다. 최근 이슈가 되고 있는 소피아 로봇과 같은 인공지능 로봇에도 전자피부 기술이 적용됐다. 시각, 청각뿐만 아니라 촉각을 매개체로 로봇과 정보교환과 감정전달이 가능할 것으로 기대된다. 

 

전자피부는 세계적으로도 활발한 연구가 진행되고 있다. 흥미를 끄는 이슈가 있다면 소개해달라.
                    
우리 연구팀이 하고 있는 헬스 모니터링 및 컨트롤러 분야 이외에도 사용자가 더 완벽한 가상현실(VR)과 증강현실(AR)을 경험하기 위해서는 시각뿐만 아니라 촉각에 대한 정보의 교감이 매우 중요하다. 전자피부형 센서는 옷이나 장갑과 같이 웨어러블 형태로 제작가능하기 때문에, 사용자는 전혀 불편함을 느끼지 못하고 VR과 AR에서 촉각을 부여받을 수 있다. 최근에는 여러 연구팀들이 세계적으로 극도의 미세한 촉각을 요구하는 수술용 로봇에 전자피부를 적용하려는 시도를 하고 있다. 또 AI과 결합한 로봇에 붙여 사람과 로봇이 감정을 교감하는 스마트 인터페이스가 많이 연구되고 있다. 

김 교수팀이 개발한 실감형 웨어러블 컨트롤러의 모습이다. 과학기술정보통신부 제공
김 교수팀이 개발한 실감형 웨어러블 컨트롤러의 모습이다. 과학기술정보통신부 제공

평소 연구자로서, 연구실 구성원들에게 ‘소통’의 중요성을 강조한다고 들었다.

 

연구실 이름은 약어로 ‘단란한’, ‘가족 같은’이란 사전적인 뜻을 지니고 있는‘FOND'(Frontier Optoelectronic Nanomaterials and Devices)로 불린다. 연구실의 모토는 ‘서로 간의 소통’, 그리고 ‘많은 연구실적보다는 줄기 있는 좋은 연구’이다. 대학원 연구실은 공동체가 함께 생활하는 조직이다. 가족 같은 연구실 분위기에서 지도교수와 학생연구원이, 선배와 후배, 그리고 동기간에 진심으로 소통하면서 연구와 봉사를 매진하는 것을 큰 목표로 생활하고 있다. 이런 밑거름이 연구실 운영에서 긍정적이고 생기가 넘치는 에너지가 될 것으로 확신한다.

 

연구자로서 귀감으로 삼으시는 인물이나 스승이 있다면.

 

석·박사 학위과정, 박사 후 과정을 거치면서 많은 분의 도움을 받았다. 연구자로서 귀감이 되는 한 분을 꼽아야 한다면 석·박사학위 지도교수이자 평생을 학문적 호기심으로 끊임없이 연구와 교육에 매진해 오신 조길원 교수님이다. 연구에 큰 자신감이 없었던 저를 격려해 주고 부족함 없이포스텍에서 7년 6개월이라는 시간 동안 석·박사 및 박사후과정까지 마무리할 수 있도록 지원해줬다. 미국 박사후연구원 과정 지도교수이자 전자피부 관련 연구를 시작할 기회를 주신 스탠퍼드대 제난 바오 교수다. 덕분에 이달의 과학기술인상을 수상하게 된 것 같다.   

 

앞으로 도전하고 싶은 목표, 이루고 싶은 연구성과는 무엇인가.  

 

삼성전자와 LG전자 같은 국내 기업들이 세계 최초로 폴더블폰, 롤러블 TV와 같은 웨어러블·소프트 전자 제품을 출시하고 있다. 한국이 디스플레이와 반도체 분야 전자산업에서 세계적인 수준에 올랐음을 의미한다. 그러나 최근 4차 산업혁명을 통해 급성장하고 있는 지능형 로봇, 스마트 헬스케어 디바이스 분야의 핵심기술을 미국, 유럽, 일본 등 글로벌 과학선진국이 주도하고 있다. 연구실이 보유한 초고감도 이온트로닉 전자피부 기술을 한 단계 더 발전시켜 사람의 피부를 완벽하게 재현하는 인공피부 개발을 위한 원천소재기술을 확보하고 싶다. 현재 부품 및 소재의 일방적인 수입과정을 개선하고 미래 산업의 기술 경쟁력을 확보하는 것이 궁극적인 목표다. 

 

미래 과학자를 꿈꾸는 학생들에게 하고 싶은 말.

 

초등학교 시절부터 과학자를 꿈꾸었다. 과학자라는 꿈은 멀리 있는 것이 아니다. 우리 몸에서 벌어지는 모든 생리학적 현상, 우리가 생활하는 자연에서 벌어지는 모든 현상에 대해 호기심을 갖는 것이, 과학자가 되기 위한 첫걸음이다. 과학자를 꿈꾸는 학생들에게 정답을 맞추려 하기보다는 ‘왜’라는 질문을 가지고 스스로 생각하고, 의지를 가지고 한 걸음 한 걸음 매진하길 당부하고 싶다.  

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