최신 연구 소개

물방울과 굴곡에도 흔들림 없는 초정밀 압력 센서 개발

손가락의 힘을 감지해 화면을 조작하는 정전 용량 압력 센서는 스마트폰 터치 기술이나 웨어러블 기기의 핵심 요소다. 하지만 땀이나 비, 외부 전자기 간섭으로 오작동하는 문제가 꾸준히 제기돼 왔다. 이러한 한계를 극복하기 위한 새로운 센서 기술이 개발됐다. 윤준보 KAIST 전기및전자공학부 교수 연구팀은 나노미터(nm) 수준의 정밀한 전극 간격을 구현한 ‘나노 갭 압력 센서’를 개발했다. 기존 센서의 오작동 원인은 ‘프린지 필드’라는 가장자리에 형성되는 전기장 때문이었다. 연구팀은 전극 사이 간격을 매우 좁게 설계해 프린지 필드의 영향을 줄였다. 이 덕분에 물이나 전자파, 손의 굴곡 등 외부 요인에도 방해받지 않고 압력을 정확히 감지할 수 있다. 또 연구팀은 이 센서를 활용해 실제 사람 피부 감각기관인 메르켈 원반을 닮은 인공 촉각 시스템을 만들었다. 손가락이 젖어 있어도 멀티터치가 가능하며, 누르는 힘의 크기와 위치를 정확하게 측정할 수 있어 스마트폰이나 웨어러블 기기에 유용하게 쓰일 수 있다. 윤 교수는 “이번 나노 갭 압력 센서는 비 오는 날이나 땀이 나는 상황에서도 기존 압력 센서처럼 오작동하지 않고 안정적으로 동작한다”며 “일상에서 겪어온 불편을 해소할 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

조선의 빛, 색소 없이 다시 살아나다

조선시대 궁궐의 상징 병풍인 ‘일월오봉도’는 왕의 권위와 조화를 상징하는 예술품이다. 하지만 안료와 염료는 시간이 지나면 색이 바랬다. 김신현 KAIST 생명화학공학과 교수 연구팀은 화학 색소 없이도 선명한 색을 내는 자연의 비밀에서 영감을 받아 일월오봉도를 재현하는 구조색 기반 기술을 개발했다. 연구팀은 몰포 나비의 날개와 카멜레온 피부처럼 빛의 반사와 간섭을 이용해 색을 만들어 내는 ‘구조색’에 주목했다. 이들은 머리카락 굵기의 10분의 1 수준인 약 10㎛ 크기의 반구형 미세구조를 정밀하게 설계해 단지 구조만으로도 청색, 적색, 녹색 등 복잡한 색상을 구현했다. 특히 연구팀은 머리카락보다도 훨씬 작은 ‘반구형 미세 구조’를 약 20만 개나 만들어 손톱만 한 크기 안에 정교하게 배열했다. 이 구조 안으로 들어간 빛이 반사되면서 특정 색만 보이게 돼, 빨강, 파랑, 초록 등 다양한 색을 색소 없이도 표현할 수 있다. 이 기술은 시간이 지나도 색이 바래지 않고, 빛의 방향이나 보는 각도에 따라 색이 달라 보이는 특성까지 갖췄다. 김 교수는 “새롭게 개발한 무색소 컬러 그래픽 구현 기술이 향후 예술과 접목돼 새로운 형태의 예술 작품을 표현하는 참신한 방법이 될 수 있다”고 말했다. 그는 또한 이 기술이 “광학 소자 및 센서, 위변조 방지 소재, 심미성 포토 카드 등을 포함한 광범위한 분야에 적용될 수 있을 것으로 기대된다”고 전했다.

곤충의 눈에서 배운다, 초고속 지능형 센서 반도체 개발

최근 자율주행차, 로봇, 감시 시스템 등 다양한 분야에서 주변 움직임을 빠르게 인식해야 하는 기술이 중요해지고 있다. 기존의 시각 센서는 많은 전력을 소비하고 처리 속도가 느려 실시간으로 상황을 처리하는 데 한계가 있었다. 김경민 KAIST 신소재공학과 교수 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 자연에서 해답을 찾고, 곤충의 시신경계를 모방한 ‘지능형 센서 반도체’를 개발했다. 곤충은 매우 간단한 신경 회로를 이용해 빠르게 움직임을 감지한다. 연구팀은 이 원리를 모방했다. ‘멤리스터‘라는 특별한 전자소자를 이용해 곤충처럼 움직임을 즉시 감지하고 판단할 수 있는 시각 신경 기능을 반도체 칩에 구현했다. 이 센서는 빛의 움직임을 감지해 물체의 방향과 속도를 파악할 수 있다. 특히 차량 경로 예측 실험에서 기존 시스템보다 92.9% 더 낮은 에너지로도 더욱 정확한 결과 를 얻어, 기술의 실효성을 입증했다. 해당 반도체는 에너지 효율이 뛰어나 미래형 인공지능 반도체 기술의 핵심으로 주목받고 있다. 김 교수는 “최근 AI가 탑재된 휴대전화와 같이 에지형 인공지능 소자의 중요성이 매우 커지고 있는데, 이 연구는 동작 인식을 위한 효율적인 비전 시스템 구현에 기여할 수 있다”고 말했다. 이어 김 교수는 “향후 자율주행 자동차, 차량 운송 시스템, 로봇, 머신 비전 등과 같은 다양한 분야에 적용될 수 있을 것으로 기대된다”고 밝혔다.

감정노동자를 위한 AI 기술 개발

고객을 응대하는 상담원, 은행원과 같은 감정 노동자는 각종 스트레스에 노출되기 쉽다. 이런 감정적 부담은 장기적으로 정신질환이나 신체적 질병으로 이어질 수 있지만, 이를 실시간으로 측정하고 관리하는 기술은 부족했다. 이의진 KAIST 전산학부 교수 연구팀은 중앙대학교, 미국 애크런대학교와 함께 감정노동자의 정신건강 상태를 실시간으로 분석할 수 있는 인공지능(AI) 기술을 개발했다. 해당 기술을 활용하면 음성, 행동, 생체 신호 같은 다양한 데이터를 AI가 분석해 감정적 스트레스를 자동으로 평가할 수 있다. 연구팀은 실제 콜센터 상담사 31명의 데이터를 수집해 AI 모델을 학습시켰다. 이 과정에서 음성의 높낮이, 피부 전도도, 심전도(ECG), 뇌파(EEG), 체온 등 228개 특징을 분석해 스트레스 수준을 87%의 정확도로 구분했다. 이를 활용하면 단순히 상태를 파악하는 데 그치지 않고, 정신건강 문제를 사전에 발견하고 대응할 수 있는 수단으로 발전할 수 있다. 해당 기술은 향후 모바일 앱과 연동돼 감정 노동자의 상태를 일상에서도 관리할 수 있을 전망이다. 콜센터는 물론, 고객 응대가잦은 다양한 직종에 적용할 수 있어 감정 노동자들의 장기적인 정신건강 보호에 기여할 것으로 보인다. 이 교수는 “감정적 작업 부하를 실시간으로 측정할 수 있는 기술을 통해 감정노동의 직무 환경 개선과 정신건강을 보호할 수 있다”며 “개발된 기술을 감정노동자의 정신건강을 관리할 수 있는 모바일 앱과 연계하여 실증할 예정”이라고 밝혔다.