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- 재료과학 권위지 ‘Advanced Functional Materials’ 표지논문(Front Cover) 선정 - 3D 프린팅으로 ‘음의 포아송 비’ 구현... 매립 환경에서도 고성능 유지

우리대학 기계시스템디자인공학과 표순재 교수 연구팀이 동과 박근 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 3D 프린팅 기술을 활용한 ‘오세틱 메타물질(Auxetic M etamaterial)’ 기반의 차세대 촉각 센싱 플랫폼을 개발했다. 이번 연구 성과는 재료과학 분야의 세계적 권위지인 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials, IF 18.5)’ 11월 25일 자(Vol. 35, Issue 47)의 표지논문(Front Cover)으로 선정되었다.

▲ 논문 표지

기존의 폼(foam)이나 다공성 구조를 활용한 촉각 센서들은 압축 시 측면으로 팽창하는 ‘양의 포아송 비(Positive Poisson’s Ratio)’ 거동을 보이는 것이 일반적이었다. 이러한 특성은 센서가 로봇의 외피 내부나 신발 깔창과 같이 단단한 프레임 속에 매립될 경우 치명적인 단점으로 작용한다. 공간이 제한된 환경에서 센서가 눌릴 때 발생하는 측면 팽창이 주변 구조물에 의해 구속(Confinement)되면서, 센서의 압축성이 제한되고 결과적으로 감지 성능이 급격히 저하되기 때문이다.

연구팀은 이러한 구조적·재료적 한계를 극복하기 위해 누를수록 수직 방향뿐만 아니라 수평 방향으로도 수축하는 ‘음의 포아송 비(Negative Poisson’s Ratio)’ 특성을 가진 오세틱 메타물질을 센서의 핵심 소재로 도입했다. 표순재 교수팀은 단위 셀 내부에 구형 공극을 배치하여, 외부 압력 인가 시 구조 내부의 리가먼트(Ligament)들이 안쪽으로 좌굴되며 응축되는 3D 격자 구조를 설계했다. 이를 실제 소자로 구현하기 위해 박근 교수팀의 고정밀 DLP(Digital Light Processing) 3D 프린팅 기술이 적용되었으며, 미세하고 복잡한 3D 오세틱 구조체를 결함 없이 정교하게 적층 제조하는 데 성공했다.

▲ 오세틱 구조와 일반 구조의 압축 변형 거동 비교

연구팀은 개발된 오세틱 구조체를 기반으로 정전용량(Capacitive) 방식과 저항(Resistive) 방식의 두 가지 센싱 메커니즘을 모두 구현했다. 정전용량 센서는 압축 시 오세틱 구조의 내부 응축 현상으로 인해 전극 간격이 효과적으로 감소함과 동시에 구조체 내부의 유효 유전율이 증가하여 감도를 극대화했다. 또한, 탄소나노튜브가 코팅된 저항 센서는 압축 시 구조체 중심부로 전도성 네트워크가 밀집되는 현상을 이용하여 미세한 압력 변화에도 민감하게 반응하도록 설계되었다.

특히 이번 연구에서 가장 주목할 만한 점은 ‘매립형 환경’에서의 성능 검증 결과이다. 연구팀이 수행한 비교 실험에 따르면, 일반적인 입방 격자(BCC, SC) 구조 기반의 센서들은 매립 환경에서 측면 팽창이 억제되어 강성이 증가하고 감도가 떨어지는 현상이 뚜렷하게 나타났다. 반면, 오세틱 메타물질 기반 센서는 압축 시 구조가 안쪽으로 수축하는 거동을 보이기 때문에 주변 공간의 구속 여부와 관계없이 일관된 고성능을 유지함을 입증했다. 이는 로봇의 손가락이나 웨어러블 기기 내부 등 공간적 제약이 따르는 실제 응용 환경에서 해당 센서가 탁월한 성능을 발휘할 수 있음을 시사한다.

▲ 오세틱 메타물질 기반 촉각 센서의 구조와 매립 환경 성능 비교

한편 이번 연구는 한국연구재단 우수신진연구 및 기초연구실 사업, 한국기초과학지원연구원의 신진연구자인프라지원 사업의 지원을 받아 수행되었다. 연구진 구성으로는 서울과기대 강민규 석사과정생이 제1저자로 참여했으며, 최홍갑 석사과정생과 박근 교수가 공동저자로, 표순재 교수가 교신저자로 참여했다.

논문명: Additively Manufactured 3D Auxetic M etamaterials for Structurally Guided Capacitive and Resistive Tactile Sensing (doi.org/10.1002/adfm.202509704)