그림 1
압저항, 전기용량 변화 기반 햅틱 센서 자가발전 기반 햅틱 센서 광특성 변화 햅틱 센서2)
1.2. 핵심 요소 기술 및 내용
● 고감도
/
다기능성 햅틱 센서- 물리적 접촉에 의한 정보를 전기적 특성 변화를 통해 검출하는 압저항/정전용량식 촉각 센서가 일반적으로 가장 많이 사용되는 촉각 센서
- 금속/반도체 또는 유･무기 기능성 소재와 다양한 마이크로/나노 구조체 도입을 통해 고감도/다기능성 특성을 가진 햅틱 센서 개발에 대한 연구 진행
- 최근 햅틱 센서의 광범위한 응용 연구 진행에 따라, 민감도를 향상시키는 연구뿐만 아니라 다양한 물리량을 독립적인 신호를 통해 구분 감지할 수 있고, 넓은 영역의 감지 범위를 가진 다기능성 햅틱 센서에 대한 관심이 급증
- 반응 속도, 내구성, 선형 신호, 생분해성, 생체 적합성, 자가 치유 등 센서 실용화에 따른 추가적인 특성 향상에 대한 연구가 활성화
● 자가발전 센서
- 착용형, 부착형 스마트 기기 내 햅틱 센서의 비중이 커짐에 따라 최근 외부 전원 없이 촉각 정보를 검출할 수 있는 자가발전 센서 기술에 대한 관심이 급증
- 자가발전 센서는 기계적/열적 변형에 의해 전류를 생산하는 압전/초전 특성과 서로 다른 전하를 띈 두 물체의 접촉에 의해 전류를 발생시키는 마찰전기 특성 기반 센서가 존재
- 순간적인 분극에 의한 전력 생산을 통해 구동되는 자가발전 센서는 빠른 반응 및 회복 속도로 인해 고주파수 동적 압력(소리, 진동) 신호를 높은 신뢰도로 검출 가능
- 물리적 접촉 세기에 따라 발생 전류가 비례하여 변화하기 때문에 햅틱 센서로도 응용이 가능
● 광특성 변화 햅틱 센서
- 전기 신호 기반 햅틱 센서는 계측 장비를 통한 신호 변환을 통해 촉각 정보를 인식하기 때문에 실시간으로 촉각 정보를 판단하는 것이 난제이기에, 빛 또는 색 변화를 통한 추가적인 촉각 정보를 제공하여, 직관적인 촉각 정보를 판단할 수 있는 연구가 활발히 진행
- 현재 광학 센서는 LED 소자, luminescence 소재와 전기 기반 햅틱 센서와 결합된 형태로 구현되고 있고, 최근에는 기계적 변형에 의해 색 또는 발광 특성이 변화하는 고분자 소재를 통해 구현
- 광특성 변화 햅틱 센서는 LED, luminescence 소재와 결합을 통해 전기적/광학적 신호 변화를 동시에 구현하는 아날로그 타입과 압력, 온도, 습도 등 주변 환경에 따라 소재 자체의 변색 특성을 이용한 디지털 타입의 센서가 연구3)
● 유연
/
신축성 전극 기술- 햅틱 센서 용용을 위해, 기계적 변형에 의해 높은 센서 안정성을 확보할 수 있는 유연/신축성 전극 제조 기술은 필수적
- 유연/신축성 전극은 유연 고분자 기판 위 전도성 소재(탄소나노튜브, 그래핀, 금속 나노와이어, 전도성 고분자)의 정렬, 마이크로/나노 패터닝 공정을 통해 구현되며, 유연/신축성 전극 구현 기술은 센서 간 interconnect, 햅틱 센서 내 능동 소재로도 응용 가능
1.3. 잠재 수요 분야 및 기대효과
● 햅틱 장치 기반 실감미디어 기술
- 전 세계적으로 실감미디어 시장 규모는 2016년 약 31억 달러에서 2021년에는 약 908억 달러로 대폭 성장할 것으로 예측되며4), 현재까지 가상현실과 증강현실 등 실감미디어 기술에서 사실적으로 재현할 수 있는 감각은 시각과 청각에 그치고 있지만, 사용자의 몰입감 증대를 위해 촉각을 재현하기 위한 햅틱스 (Haptics) 기술이 주목
- 압력, 신축력, 온도 변화 등의 물리적 자극에 대한 센서 및 촉감 구동기 기술은 비교적 성숙되어 있지만, 물체의 재질감(미세한 표면, 부드러운/거친 정도)을 감지하고 표현하는 햅틱 기술은 제한적
● 웨어러블 디바이스
- 세계 웨어러블 디바이스 시장은 2017년 약 192억 달러에서 2022년 약 849억 달러에 이를 것으로 예측5) - 건강에 대한 접근 방식 변화로 웨어러블 디바이스 기반의 헬스케어 산업이 주목받고 있으며, 세계 헬스케어
산업의 시장규모는 2016년 960억 달러에서 2020년에는 2,060억 달러로 확대될 것으로 전망 - 사용자의 생체 신호를 정확하고 실시간으로 감지하기 위해 유연성 또는 신축성 고감도 센서 기술이 요구
3) KIC News, Volume 21, No.1 (2018)
4) 정보통신산업진흥원, VR/AR산업 현황 및 전망 (2018)
5) IITP, 2017 웨어러블 디바이스의 발전 전망 및 시사점 (2017); 식품의약품안전평가원, 스마트 헬스케어 의료기기 기술/표준 전략 보고서 (2018)
● 지능형 로봇 기술
- 세계 로봇 시장은 2014년 약 167억 달러에서 2020년 약 594억 달러로 성장할 것으로 전망되며6), 국내 로봇 시장은 2014년 2조 3,080억 원에서 2020년 5조 3,578억 원 규모로 성장할 것으로 전망 - 사람처럼 사물을 인지하고 자율적으로 일을 수행하는 지능형 로봇의 개발을 위해 유연하고 밀집도 높은
고성능 피부형 촉각 센서 개발이 필요
1.4. 해결해야 할 기술 이슈
● 다중 신호 분리 및 집적화
- 복합적인 물리량에 대한 정확한 촉각 정보 추출을 위해 다중 신호를 독립적으로 구분하여 검출할 수 있는 기술 요구
- 단일 햅틱 센서 소자의 제한된 검출 물리량, 다중 물리량에 대한 신호혼선 및 다방향성 촉각 감지 난해 - 다중 센서 집적화를 통한 햅틱 센서 구현 시 고비용, 복잡한 제조 공정, 센서 크기에 대한 문제점 개선 필요 - 다중 촉각 감지 센서 및 센서 어레이(array)를 위한 집적화 연구 진행 중
● 신호 전송 및 데이터 항목화
- 실제 응용 기술을 위한 신호 전송 및 촉각 정보 분석, 학습에 의한 인지 메커니즘 및 인터페이스 개발 필요 - 햅틱 센서 기반 인터페이스 구현을 위한 무선 센서 플랫폼 개발, Deep & Machine 러닝 기반 인지 메커니즘
연구 진행 중
표 1 주요 기술 및 이슈
구 분 세 부 내 용
고감도/다기능성기반 햅틱 센서
나노소재/구조 제어 기반 고감도 소재 제작 기술 다중 물리량 검출 다기능성 햅틱 센서 구현 기술 다방향성 촉각 감지 센서 개발 기술
유연/신축성 센서 소재 기술
센서 신호 선형성, 광대역, 민감도 향상 기술
자가발전 기반 햅틱 센서
고출력 자가발전 시스템 구현 기술 유연 자가발전 센서 제조 기술 자가발전 센서 신호 안정성 향상 기술
광특성 기반 햅틱 센서
빛/색 기반 자극 감지 소재 제작 기술 광특성 변화 민감도 향상 기술 광특성 변화 정량화 기술
유연/신축성 제조 기술
유연성, 신축성 향상 기술 전기 전도도 및 투명도 향상 기술 전극 안정성 향상 기술
2 기술 동향
2.1. 국내 동향
● 울산과학기술원
- 사람 피부 구조 및 기능을 모사하여 정적/동적 촉각, 온도 및 질감까지 구분 감지할 수 있는 유연 전자피부 개발7)
● 한국표준과학연구원
- 다양한 힘 센서 및 온도 센서를 집적하여 거칠기, 마찰력, 온도 및 강도를 정확하게 구분 감지할 수 있는 촉각센서 개발8)
● ㈜휴이노
- 혈압, 맥박, 산소포화도, 심전도 등 다양한 생체 신호를 상시 측정 가능한 손목시계형 생체신호 측정 기기 (MEMOTH) 개발9)
2.2. 해외 동향
● 베이징 분자과학연구소
,
중국- 전도성 고분자의 압저항 및 열전 특성 기반 압력 및 온도 동시 감지하는 유연 전자피부 개발10)
●
MC10,
미국- 반창고처럼 피부에 붙이는 바이오스탬프를 개발하여 맥박수, 온도, 심전도 등을 실시간으로 모니터링하고 수집하는 것이 가능11)
7) Sci. Adv., 1, e1500661 (2015)
8) 표준과학연구원 질량힘센터, https://www.kriss.re.kr 9) ㈜휴이노, https://www.huinno.co
10) Nat. Commun., 6, 8356 (2015) 11) MC10 Inc., https://www.mc10inc.com
3 시사점(기술수준)
● 국내 센서 산업 기술 경쟁력은 선도국 대비
65%
수준- 소재 및 장비는 미국, 일본, 유럽 등이 선도하며 국내기업은 핵심 소재 원천 기술 부족으로 기술 수준이 낮아 신소재 개발, 장비 신뢰성 확보가 필요
- 선도국 대비 소재 경쟁력은 56%, 설비 경쟁력은 70% 수준으로 핵심 소재, 설비는 해외 기업에 의존하고 있는 상황12)
표 2 국가별 센서 기술 수준 분석13)
(단위 : %)
구분 소재 설계 설비 양산 핵심 평균
미국 100 100 90 85 100 95
유럽 100 100 95 95 100 98
일본 100 95 90 100 100 97
한국 55.5 72.4 70 69.7 55.8 64.7
- 국내 센서 내수시장은 2012년 54억 달러 규모에서 2020년 99억 달러 규모로 연평균 10.4% 성장률이 전망되지만, 국내기업의 내수시장 점유율은 10% 수준으로 매우 낮고, 기술 수준은 선진국 대비 65%
수준
- 국내 기업의 기술성 부족으로 인해 대부분의 센서 칩을 수입하고 있으며, 매출 50억 미만의 업체가 63%를 형성하고 있어 센서 제작 기술에 대한 원천 기술 확보가 요구
12) 2018 중점보고서, 센서 산업 현황 및 경쟁력